探索训练“最优解” 科技助力冬奥运动员再创佳绩

现代体育竞赛绝不是一个人的“战斗”，其背后的科技支撑是不可或缺的，尤其是体现在奥运选手的训练和备战上。随着北京2022年冬奥会的临近，很多观众会关注高山滑雪如何在比赛中快速绕过旗门。越野滑雪什么姿势最省力？跳台滑雪哪种姿势最好？如何训练速滑提高过弯技术？

“对冬季运动的影响包括人、机、环境等诸多因素。我们现在正在做的就是针对影响运动员技术动作的关键因素，设计新的训练装置和运动器材，优化运动员的动作和姿势，从而提高他们的比赛成绩。”1月13日，北京理工大学航空航天学院副院长霍波教授在接受《科技日报》记者采访时表示。

前不久，记者在北京市科协主办的“科技助力冬奥”科学传播沙龙上了解到，北京理工大学承担了科技部“科技冬奥”专项项目“国家科学训练基地建设关键技术研究与示范”，历时三年。通过跨学科融合，突破领域间壁垒，打通“学-研-用”全链条，开展冰雪运动生物力学研究并开发相关运动器材，建成冬季项目国家。

霍波进一步指出，冬奥会上，高山滑雪绕旗门的旋转动作、越野滑雪上坡两步交替滑行技术、平地和下坡同时推进滑行技术、跳台滑雪辅助滑行后的起跳角度和飞行姿态都是关键技术动作。完成动作时的姿势涉及运动员的速度、角度、心肺功能、骨骼肌等生理参数。因此，比赛成绩对运动员本身有很高的要求。

围绕具体研究目标，霍波带领团队研发先进技术，探索解决训练中问题的“最优解”。——基于3D运动捕捉与自动识别技术、空气动力学实验与仿真技术、生理传感器技术、肌肉骨骼动力学分析技术等。开发了“冬季项目智能训练管理系统”，为运动员提供个性化、智能化的训练方案。实时采集运动员在不同运动项目中的三维姿态参数，以及地面反作用力、空气阻力等。在此运动下可以形成运动员的动态数据库，并为后续的运动生物力学分析和训练方案的制定提供支持。

如何将发达的技术和装备应用到北京冬奥会的训练和备战中？合博回答，“首先，在高山滑雪、雪地摩托、雪橇等运动领域，如果要测量运动员的滑冰轨迹，需要搭建真实场景，采用冬季赛事场景的三维感知与重构技术。我们利用激光雷达，通过无人机飞越跑道时的激光光斑，精确记录体育场山地地貌的图像，测量体育场的场地情况。同时，运动员佩戴基于卫星的位置跟踪器来显示他们在赛道上的运动位置。测量和分析地面反作用力时，采用足底压力鞋垫，鞋垫内集成一系列压力传感器，获取地面反作用力的数据。当鞋底压力鞋垫不合适时，可以通过视频采集运动员的运动学数据，对地面反作用力进行预测分析。”

为了不影响运动员训练，研究人员利用高速、高分辨率的摄像系统捕捉运动员大范围、长距离、快速运动的动作，再利用基于深度学习的手势识别技术，得到各个关节点在不同时间的运动轨迹。

同时，Hobo团队建立了全人体的骨骼肌模型，针对特定运动聚焦关键肌肉群，通过人体动力学分析计算出骨骼和肌肉所受的力，从而分析计算运动员在运动过程中的骨骼损伤程度以及如何避免损伤。我们还精确地研究和分析了人体运动的机械耦合情况，例如跳台滑雪运动员在飞行过程中，由于空气阻力的影响，滑雪板的变形和振动会如何影响其运动姿态和飞行距离。

当运动员在雪地里飞行时，速度非常快。如何考虑空气阻力对运动员姿势的影响？Hopo说，比如跳台滑雪的速度可以达到每秒30米，空气阻力相当大。我们从两个方面进行研究：通过实验，利用风洞，施加风速，测量运动员的受力和合成力矩；通过数值模拟，可以得到一些数据库，将它们加入到建立的人体运动模型中，可以得到人体的空气阻力及其对姿态和轨迹的定量影响。

因此，通过冬季项目智能训练管理系统，教练员和运动员可以有更直观、更科学的方式，深入了解运动员的全过程运动状态，对比每次生成的分析报告，不断调整运动姿势和用力方式等。从而帮助运动员不断提高训练成绩，争取在冬奥会上夺得金牌。记者华玲