10月
17
2022
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神奇!越野滑雪队员的第二层“肌肤”

“心率、配速、高度信息、位置信息……如此多的数据不仅可以精准定位、实时监控,还可以反复观看,这太让人震惊了!”零下20度,承德坝上草原训练场现场验收过程,技术研发团队成员及运动员在环湖训练场进行场测,与此同时,在办公室内通过可视化系统清楚地看到运动信息的冬奥中心教练员、吉林体育学院杨明教授不禁感叹。

越野滑雪在冬季奥运会比赛项目中素有“雪上马拉松”之称,最主要比拼的是运动员的耐力和体力。

当你为冲过终点的运动员欢呼的时候,是否好奇运动员是如何发挥潜力,不断创造佳绩?

又有怎么样的科技力量隐藏在赛前运动训练中?让教练员可以直接通过电脑屏幕反复观看场测运动员的实时生理指标、所在位置和运动成绩……不再仅仅依靠丰富经验,还可以通过精准的数据,为每一位运动员量身定制更科学的训练方案。

2020年12月,一支在清华大学航天航空学院冯雪教授领导下,由清华大学柔性电子技术研究中心(以下简称“柔电中心”)和浙江清华柔性电子技术研究院(以下简称“柔电院”)联合组成的研发团队自驾赶赴零下20度的承德坝上草原训练场实地勘探。

由于室外滑雪项目只能在冬季进行,项目立项时,距离训练结束只剩几个月的时间,需要赶在训练结束前,让产品尽快服务到运动员,否则赶不上室外训练环节,只能等待下一年。为了在短时间内达到项目要求,需要研发团队成员在气温极低、地形多变的恶劣环境中,对高速滑行的运动员进行长时间、大范围监测,同时教练员们还提出希望将运动场景可视化、能监测实时位置信息并实现运动员生理监测数据的无线传输。

出北京后山路居多,厚厚的积雪覆盖了路面,不熟悉地形的团队成员驾驶的车辆险些因道路湿滑侧翻!团队成员浙江清华柔性电子技术研究院、柔性生物电子事业部项目经理侯国辉至今回忆起来,仍心有余悸。为了赶时间,队员们不舍得下车吃饭,都是在车上自带食品解决,平时6小时的路程队员花了整整一天的时间才赶到训练基地。

传统的设备在高山滑雪如此剧烈的运动下,无法正常运转。传统的心电监测设备多在静态或者半静态下进行监测,而在剧烈运动状态下,因为大量的汗液导致设备与人体的脱粘,影响了信号的稳定性。部分导电织物所制备的电极材料,因为在运动过程中界面阻抗变化大,导致电势差波动剧烈无法准确获取人体生理信号。

极端低温环境下,设备电池无法正常供能。常规锂电池及干电池在极低的气温下内阻增大,电池电压下降严重,不能驱动设备。

野外WIFI难以覆盖,实时信息上传存在问题。设备在采集到人体生理电信号后需要将电压数字、位置信息等上传到后台,人体生理信号数据量比较大需要通过大的带宽设备进行上传。

这支由80、90后组成的年轻团队,为了找到解决问题并满足需求的设计,经常一起头脑风暴,白天开会讨论、晚上加班实施,办公楼的灯光长夜不熄。在90后团队负责人、柔电中心博士后陈毅豪的带领下,研发团队为了找到最优解决方案,如期交付项目,热火朝天地投入到了“007”工作模式中。

为了应对零下20度的低气温等极端环境,团队成员出于确保项目达到应用要求的目的,提高开发难度,开发出耐低温达-40℃的电池,解决了极端环境下设备电池无法正常供能的问题;此后又通过采用4G信号通信将生理信号进行压缩上传攻克了野外WIFI难以覆盖等一个又一个技术难点,最终研发出集结了柔性温度传感器、柔性心电传感器、蓝牙4G数据中转主机和集成柔性电极的胸带,加上后台数据中心和前端监控软件,三部分协同合作,系统化地实现了运动员生理参数的数字化监控。

而针对运动员群体特殊性,更着力于研发更舒适、轻便、不影响运动的佩戴装备。

最终团队成员根据越野队教练员及运动员的要求,采用服装集成技术的办法,将柔性电极贴片埋入了运动员平时使用的胸带之中,采用导电皮革材料开发了织物电极,并将手机中的定位、通讯、导航模块改进为柔性材料后,直接应用于胸带之中。既解决了运动员对陌生监测设备佩戴不适感的排斥,又达到了运动员对佩戴舒适性的要求。

2020年,柔性电子技术以其轻、薄、柔、小的特点,受到了国家体育总局冬季运动管理中心的关注。2020年底,陈毅豪作为项目负责人接受项目,并开始带领技术研发团队探索如何将柔性电子技术应用于越野滑雪队可视化可穿戴训练监测系统。

项目开发方案从2020年底最初确定,后又经过多次改进方案,并在2021年2月基本结束研发,4月根据越野滑雪特殊场景下的新需求,团队做了有针对性的改进和解决,直至成熟状态。2021年5月,“三维可视化训练监测系统”正式开始服务于中国越野滑雪队员,为运动员备战2022冬奥会,提升运动训练能力发挥了重要作用。

“三维可视化训练监测系统”由胸带和可视化系统组成。运动员穿戴柔性生理监测绑带,设备采集到运动员的心率、心电、体温、位置、高程信息后通过自带的4G模块回传到可视化系统。设备数据经过解算,可以获取运动员生理信息、3D位置信息、高度信息和速度信息等重要数据。

“在这么短的时间内完成一项富有挑战性的任务,一方面得益于团队在柔性可穿戴电子技术方面的积累,冯雪教授团队在心电监测领域深耕已久,相关科研成果已经完成成果转化,并已取得医疗级设备认证。另一方面也是得益于清华大学校地合作模式框架下,探索并打造的‘校内虚体,校外实体’的创新性科研成果转化机制。”陈毅豪介绍说。

浙江清华柔性电子技术研究院制造与工艺研究员李海波博士回忆项目完成情况时说:“为了完成冬奥项目的相关生产任务,柔电院紧急抽调专业的生产力量,利用自身打造的面向柔性电子技术的高精度SMT中试线,完成了冬奥项目从研发到制造的全链条覆盖。”

“服务冬奥对整个团队来说是一座记载着光荣的里程碑,但对柔电技术的成果转化及应用,会一直在路上。”陈毅豪说。

柔性电子技术的未来应用前景广阔,在其他运动中也有很大的发展潜力。在北京2022冬奥会中的成功应用说明了柔性电子技术服务于专业运动训练的可行性。

此外,大众健身、医疗健康、装备结构健康监测等领域都可以借助柔性电子技术,来实现精准监测与服务。

1月27日晚,北京冬奥会中国体育代表团公布名单。1月20日,中国越野滑雪队结束集训,踏上开赴北京冬奥会的征程。前不久结束的冬奥积分赛上,中国越野滑雪实现突破,完成了冬奥会12个小项全项目参赛的目标。2月16日,中国越野滑雪队出战男、女子团体短距离半决赛,虽然最终中国队均以一名之差无缘决赛,但本届冬奥会,中国越野滑雪健儿展现出的拼搏精神,必将载入运动史册。

清华柔性电子技术研发团队也为未来能为更多运动项目提供前沿技术保障踏上了新的研发征程,并希望未来有更多的机会,助力运动健儿创造历史,书写辉煌。