當(dāng)專注航空航天事業(yè)的高校科研團(tuán)隊(duì)來研究運(yùn)動(dòng)員北京交通大學(xué)航空教學(xué)基地，會(huì)擦出怎樣的火花北京交通大學(xué)航空教學(xué)基地？在競(jìng)速項(xiàng)目中，如何利用科學(xué)技術(shù)幫助運(yùn)動(dòng)員們優(yōu)化姿勢(shì)，尋找最佳競(jìng)技路線北京交通大學(xué)航空教學(xué)基地？……當(dāng)科學(xué)家參與到體育比賽訓(xùn)練中，會(huì)碰撞出哪些意想不到的驚喜北京交通大學(xué)航空教學(xué)基地？

從2019年開始，北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院副教授柯鵬便帶領(lǐng)著團(tuán)隊(duì)，充分借鑒航空工程的基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法，參與到了北京冬奧會(huì)賽事的科技助力之中。

三年過去，為運(yùn)動(dòng)隊(duì)訓(xùn)練項(xiàng)目建模，用大數(shù)據(jù)分析運(yùn)動(dòng)員技巧，為運(yùn)動(dòng)裝備和冰場(chǎng)提供最優(yōu)參數(shù)……科學(xué)家們通過努力使設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)，走出了一條適合中國國情的體育科技創(chuàng)新之路。

柯鵬團(tuán)隊(duì)冰上合影。均為受訪者供圖

將飛行力學(xué)知識(shí)等運(yùn)用于冰雪項(xiàng)目中

2021年12月中旬的一個(gè)電話，便讓柯鵬及團(tuán)隊(duì)人員立刻從北京航空航天大學(xué)趕到了位于西南五環(huán)開外的中車二七國家冰雪運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練科研基地（簡(jiǎn)稱“二七基地”），這是一條他這一年多來走過的、再熟悉不過的路線。

“為讓運(yùn)動(dòng)員更高效、更有針對(duì)性地訓(xùn)練，需要有與學(xué)科相關(guān)的科技人員進(jìn)入到傳統(tǒng)的體育訓(xùn)練體系里，形成復(fù)合型科研訓(xùn)練團(tuán)隊(duì)，批量培養(yǎng)高水平運(yùn)動(dòng)員?！笨蛮i介紹，運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過程中，科學(xué)家可以通過傳感器和影像資料有效地采集到運(yùn)動(dòng)路線、肌肉力量、技術(shù)動(dòng)作以及雪板、冰刀滑行、滯空、觸地瞬間等數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)解構(gòu)，通過分析和評(píng)估這些數(shù)據(jù)，重新建構(gòu)更準(zhǔn)確的技術(shù)能力，探索進(jìn)一步的改善空間，整體提升運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

此外，柯鵬帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)還可以基于航空領(lǐng)域中的飛行力學(xué)、理論力學(xué)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等原理，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)情況做個(gè)性化的分析和評(píng)估，最后針對(duì)專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，給出一個(gè)科學(xué)的數(shù)學(xué)模型?！氨热缭诨修D(zhuǎn)彎時(shí)，提前減速還是不減速？大彎還是小彎？我們都可以給出優(yōu)化方案?！?

柯鵬團(tuán)隊(duì)提出了“體育、理工、醫(yī)學(xué)交叉，人、設(shè)備、環(huán)境融合”的思路，以人為主，多維度幫助運(yùn)動(dòng)員優(yōu)化運(yùn)動(dòng)技巧。比如高山滑雪項(xiàng)目，柯鵬調(diào)研和分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)員從高山往下滑的速度比較快，和飛機(jī)的飛行過程非常像，就想到將飛行力學(xué)的方法應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)路線的分析中。

“滑降項(xiàng)目是競(jìng)速類項(xiàng)目，比的就是誰的時(shí)間最短，不同路線，運(yùn)動(dòng)員局部受力不同，因此我們?cè)谠u(píng)估中要結(jié)合裝備、環(huán)境等所有能影響運(yùn)動(dòng)員的因素，改進(jìn)他的滑行路線，同時(shí)還要兼顧運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)，要在保證運(yùn)動(dòng)員最安全的情況下提升他的成績(jī)?！笨蛮i笑著說，“不能只比速度，不要命嘛?！?/p>

給出一個(gè)受力面積最小的姿態(tài)、構(gòu)建一個(gè)最理想的轉(zhuǎn)彎模型、提出最減少耗能的技術(shù)……就這樣，一個(gè)項(xiàng)目一個(gè)項(xiàng)目地攻克，柯鵬團(tuán)隊(duì)從科學(xué)家的角度給運(yùn)動(dòng)隊(duì)拿出了一個(gè)個(gè)可實(shí)用技術(shù)方案，供他們參考、訓(xùn)練。

航空航天中的模擬器應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)員實(shí)戰(zhàn)中

除了建模之外，二七基地里的不少“大家伙”也靠科學(xué)家們的助力，例如，輔助運(yùn)動(dòng)員們訓(xùn)練的六自由度電動(dòng)模擬體育訓(xùn)練系統(tǒng)。

柯鵬介紹， 研發(fā)出來的這些技巧和方法就必須應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)員的實(shí)戰(zhàn)中去，雪上項(xiàng)目訓(xùn)練受制于天氣，只有到雪地的時(shí)候才能用，國家體育總局就提出能否在非雪季也能夠訓(xùn)練。六自由度模擬器就是當(dāng)時(shí)提出來的一種新訓(xùn)練模式，可以模擬運(yùn)動(dòng)員實(shí)際轉(zhuǎn)彎等的一些技術(shù)動(dòng)作。而這和航空領(lǐng)域中、幫助飛行員了解飛機(jī)特性的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的原理是一模一樣的。

六自由度模擬器由一家公司制作硬件，科學(xué)家們負(fù)責(zé)提供軟件方面的數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真建模。比如，爬坡是什么速度，轉(zhuǎn)彎是什么角度，運(yùn)行軌跡和身體姿態(tài)等，這些都需要柯鵬團(tuán)隊(duì)優(yōu)化數(shù)據(jù)，提供給機(jī)器。同時(shí)，在通過機(jī)器訓(xùn)練時(shí)產(chǎn)生的一手?jǐn)?shù)據(jù)也能被科學(xué)家獲得，進(jìn)一步分析建模，逐漸優(yōu)化運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練技巧和能力，形成了一個(gè)閉環(huán)。

據(jù)介紹，如今大規(guī)模的測(cè)試已經(jīng)完成，六自由度模擬器填補(bǔ)了在訓(xùn)練中的一項(xiàng)技術(shù)空白。

體育競(jìng)技賽場(chǎng)上即使零點(diǎn)幾秒的成績(jī)，也能夠影響最終的排名，而這毫厘之間寫滿了科學(xué)家們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度?？蛮i表示，經(jīng)過這幾年國內(nèi)外大小賽事的考量，確實(shí)欣喜于運(yùn)動(dòng)員們的成績(jī)，讓團(tuán)隊(duì)覺得曾經(jīng)的努力是值得的。

用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)“涵道風(fēng)扇”推進(jìn)器

新京報(bào)記者在采訪中發(fā)現(xiàn)，航空航天領(lǐng)域中的經(jīng)驗(yàn)被運(yùn)用在了方方面面。另一個(gè)值得一提的“訓(xùn)練神器”就是“涵道風(fēng)扇”輔助推進(jìn)器。

柯鵬介紹，這是一個(gè)mini的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，由航空模型飛機(jī)的涵道風(fēng)扇改造而成，它長(zhǎng)約15厘米、直徑約7厘米，是輕巧的銀色桶狀設(shè)備，背在運(yùn)動(dòng)員的后背上，啟動(dòng)機(jī)器，風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，它就像推動(dòng)一輛航空器一樣，推著踩著冰刀、或滑著輪滑的人向前走，這樣可以在運(yùn)動(dòng)員競(jìng)速時(shí)，給他一個(gè)更高速的助推。

這不是給運(yùn)動(dòng)員“開掛”嗎？柯鵬笑著解釋說，這可不能用在比賽上，這是訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員的設(shè)備。比如運(yùn)動(dòng)員在高速滑行時(shí)，有時(shí)礙于各種原因，難以進(jìn)一步提速，甚至有時(shí)在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)下意識(shí)降速。那么助推器給了他一個(gè)被動(dòng)的動(dòng)力，讓他體驗(yàn)超速的感覺，并在超速中完成力量、技巧上的控制，當(dāng)他體驗(yàn)并習(xí)慣高速運(yùn)動(dòng)后，也能夠自己創(chuàng)造更高的速度達(dá)成競(jìng)技目標(biāo)，也會(huì)減少“剎車”。

但是在這項(xiàng)設(shè)備的研發(fā)中，團(tuán)隊(duì)也遇到了難題?？蛮i說，當(dāng)時(shí)希望能出個(gè)運(yùn)動(dòng)員測(cè)試這個(gè)設(shè)備，需要全力滑行500米，再背上機(jī)器滑行五百米，比較一下數(shù)據(jù)。教練一聽要讓運(yùn)動(dòng)員連續(xù)滑兩次500米，立刻就不同意了。

這時(shí)，科學(xué)家們才了解到，全力滑行對(duì)運(yùn)動(dòng)員的體能消耗是非常大的。比如過去的夏奧會(huì)上，蘇炳添完成9秒83的成績(jī)后，隔了兩個(gè)多小時(shí)再跑第二個(gè)100米，就很難達(dá)到開始的成績(jī)。因此，連續(xù)兩個(gè)同樣500米的滑行，是運(yùn)動(dòng)員無法高質(zhì)量完成的任務(wù)。

在充分了解情況后，科學(xué)家和運(yùn)動(dòng)隊(duì)提出了一個(gè)解決方案，這個(gè)測(cè)試分階段完成?；?00米在充分的休息后，再由運(yùn)動(dòng)員背著機(jī)器再次滑行。

測(cè)試下來，果然數(shù)據(jù)很好，柯鵬說，助推器讓運(yùn)動(dòng)員速度至少提升了10%，不僅測(cè)試的運(yùn)動(dòng)員感到很興奮，其他現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)員也表示要試一試。這個(gè)“神器”研發(fā)成功了。如今已經(jīng)運(yùn)用在了運(yùn)動(dòng)隊(duì)的冰雪訓(xùn)練計(jì)劃中。

從2019年至今，柯鵬團(tuán)隊(duì)讓體育運(yùn)動(dòng)競(jìng)技看到了更多可能。但這背后也有艱辛，柯鵬笑著說，長(zhǎng)期和冰雪作戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)里每個(gè)成員基本上都被凍感冒過。但沒有一個(gè)學(xué)生和老師叫苦，責(zé)任感讓他們堅(jiān)持至今。

他表示，即使在奧運(yùn)會(huì)結(jié)束的未來，備戰(zhàn)冬奧所留下的科學(xué)態(tài)度和精神財(cái)富都將繼續(xù)在高校中傳承。

“測(cè)冰神器”給出制冰答案

賽場(chǎng)上的“黑科技”始于人，又不止于人。為幫助冰場(chǎng)提高冰面質(zhì)量，北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院副教授柯鵬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了“測(cè)冰神器”。

測(cè)冰車在測(cè)冰。受訪者供圖

“我國運(yùn)動(dòng)員水平非常高，冰面好不好他們感覺非常明顯。”柯鵬回憶，在2021年3、4月份，他們冰場(chǎng)有一塊區(qū)域誰都不愿意用，“明明并列排著的兩塊冰，為啥這個(gè)好，那個(gè)就不好呢？當(dāng)時(shí)大家都很疑惑?！?/p>

于是，柯鵬團(tuán)隊(duì)研發(fā)了測(cè)試裝置，從溫度、厚度、硬度、摩擦系數(shù)等方面對(duì)冰面進(jìn)行測(cè)試。其中一個(gè)裝置就是一個(gè)小冰車，車下是冰刀，科學(xué)家將涵道風(fēng)扇裝到了冰車上，推動(dòng)小車在冰上模擬運(yùn)動(dòng)員的壓力條件、滑行速度和滑行過程，利用車上高精度的傳感器，測(cè)試冰面的情況，從而獲得具體的參數(shù)，從理論層面對(duì)制冰師提出要求。

柯鵬介紹，測(cè)冰車已經(jīng)過多次優(yōu)化和完善，在國內(nèi)多個(gè)大型冰場(chǎng)實(shí)地應(yīng)用。不僅能測(cè)試冰，還可以測(cè)試設(shè)備?！氨热缤粔K冰我們可以測(cè)試不同的冰刀，同一把冰刀可以測(cè)試不同的冰?！?/p>

大數(shù)據(jù)應(yīng)用也會(huì)引入其中，柯鵬透露，當(dāng)測(cè)冰車獲得的數(shù)據(jù)積累到一定程度，就可以不需要小冰車，借助數(shù)據(jù)庫后期可通過相應(yīng)指標(biāo)參數(shù)，算出冰面情況。

采寫 新京報(bào)記者 劉洋 校對(duì) 付春愔