當專注航空航天事業(yè)的高?？蒲袌F隊來研究運動員北京交通大學航空教學基地，會擦出怎樣的火花北京交通大學航空教學基地？在競速項目中，如何利用科學技術(shù)幫助運動員們優(yōu)化姿勢，尋找最佳競技路線北京交通大學航空教學基地？……當科學家參與到體育比賽訓練中，會碰撞出哪些意想不到的驚喜北京交通大學航空教學基地？

從2019年開始，北京航空航天大學交通科學與工程學院副教授柯鵬便帶領(lǐng)著團隊，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賽事的科技助力之中。

三年過去，為運動隊訓練項目建模，用大數(shù)據(jù)分析運動員技巧，為運動裝備和冰場提供最優(yōu)參數(shù)……科學家們通過努力使設(shè)想變成了現(xiàn)實，走出了一條適合中國國情的體育科技創(chuàng)新之路。

柯鵬團隊冰上合影。均為受訪者供圖

將飛行力學知識等運用于冰雪項目中

2021年12月中旬的一個電話，便讓柯鵬及團隊人員立刻從北京航空航天大學趕到了位于西南五環(huán)開外的中車二七國家冰雪運動訓練科研基地（簡稱“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。

“為讓運動員更高效、更有針對性地訓練，需要有與學科相關(guān)的科技人員進入到傳統(tǒng)的體育訓練體系里，形成復合型科研訓練團隊，批量培養(yǎng)高水平運動員。”柯鵬介紹，運動員運動過程中，科學家可以通過傳感器和影像資料有效地采集到運動路線、肌肉力量、技術(shù)動作以及雪板、冰刀滑行、滯空、觸地瞬間等數(shù)據(jù)，進行實時解構(gòu)，通過分析和評估這些數(shù)據(jù)，重新建構(gòu)更準確的技術(shù)能力，探索進一步的改善空間，整體提升運動成績。

此外，柯鵬帶領(lǐng)的團隊還可以基于航空領(lǐng)域中的飛行力學、理論力學和運動生物力學等原理，對運動員的運動情況做個性化的分析和評估，最后針對專項運動，給出一個科學的數(shù)學模型?！氨热缭诨修D(zhuǎn)彎時，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?！?

柯鵬團隊提出了“體育、理工、醫(yī)學交叉，人、設(shè)備、環(huán)境融合”的思路，以人為主，多維度幫助運動員優(yōu)化運動技巧。比如高山滑雪項目，柯鵬調(diào)研和分析發(fā)現(xiàn)，運動員從高山往下滑的速度比較快，和飛機的飛行過程非常像，就想到將飛行力學的方法應用到運動路線的分析中。

“滑降項目是競速類項目，比的就是誰的時間最短，不同路線，運動員局部受力不同，因此我們在評估中要結(jié)合裝備、環(huán)境等所有能影響運動員的因素，改進他的滑行路線，同時還要兼顧運動醫(yī)學，要在保證運動員最安全的情況下提升他的成績?！笨蛮i笑著說，“不能只比速度，不要命嘛?！?/p>

給出一個受力面積最小的姿態(tài)、構(gòu)建一個最理想的轉(zhuǎn)彎模型、提出最減少耗能的技術(shù)……就這樣，一個項目一個項目地攻克，柯鵬團隊從科學家的角度給運動隊拿出了一個個可實用技術(shù)方案，供他們參考、訓練。

航空航天中的模擬器應用到運動員實戰(zhàn)中

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

柯鵬介紹， 研發(fā)出來的這些技巧和方法就必須應用于運動員的實戰(zhàn)中去，雪上項目訓練受制于天氣，只有到雪地的時候才能用，國家體育總局就提出能否在非雪季也能夠訓練。六自由度模擬器就是當時提出來的一種新訓練模式，可以模擬運動員實際轉(zhuǎn)彎等的一些技術(shù)動作。而這和航空領(lǐng)域中、幫助飛行員了解飛機特性的模擬訓練系統(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，科學家們負責提供軟件方面的數(shù)據(jù)，進行仿真建模。比如，爬坡是什么速度，轉(zhuǎn)彎是什么角度，運行軌跡和身體姿態(tài)等，這些都需要柯鵬團隊優(yōu)化數(shù)據(jù)，提供給機器。同時，在通過機器訓練時產(chǎn)生的一手數(shù)據(jù)也能被科學家獲得，進一步分析建模，逐漸優(yōu)化運動員的訓練技巧和能力，形成了一個閉環(huán)。

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

體育競技賽場上即使零點幾秒的成績，也能夠影響最終的排名，而這毫厘之間寫滿了科學家們嚴謹?shù)目茖W態(tài)度?？蛮i表示，經(jīng)過這幾年國內(nèi)外大小賽事的考量，確實欣喜于運動員們的成績，讓團隊覺得曾經(jīng)的努力是值得的。

用渦扇發(fā)動機研發(fā)“涵道風扇”推進器

新京報記者在采訪中發(fā)現(xiàn)，航空航天領(lǐng)域中的經(jīng)驗被運用在了方方面面。另一個值得一提的“訓練神器”就是“涵道風扇”輔助推進器。

柯鵬介紹，這是一個mini的渦扇發(fā)動機，由航空模型飛機的涵道風扇改造而成，它長約15厘米、直徑約7厘米，是輕巧的銀色桶狀設(shè)備，背在運動員的后背上，啟動機器，風葉轉(zhuǎn)動，它就像推動一輛航空器一樣，推著踩著冰刀、或滑著輪滑的人向前走，這樣可以在運動員競速時，給他一個更高速的助推。

這不是給運動員“開掛”嗎？柯鵬笑著解釋說，這可不能用在比賽上，這是訓練運動員的設(shè)備。比如運動員在高速滑行時，有時礙于各種原因，難以進一步提速，甚至有時在轉(zhuǎn)彎時會下意識降速。那么助推器給了他一個被動的動力，讓他體驗超速的感覺，并在超速中完成力量、技巧上的控制，當他體驗并習慣高速運動后，也能夠自己創(chuàng)造更高的速度達成競技目標，也會減少“剎車”。

但是在這項設(shè)備的研發(fā)中，團隊也遇到了難題?？蛮i說，當時希望能出個運動員測試這個設(shè)備，需要全力滑行500米，再背上機器滑行五百米，比較一下數(shù)據(jù)。教練一聽要讓運動員連續(xù)滑兩次500米，立刻就不同意了。

這時，科學家們才了解到，全力滑行對運動員的體能消耗是非常大的。比如過去的夏奧會上，蘇炳添完成9秒83的成績后，隔了兩個多小時再跑第二個100米，就很難達到開始的成績。因此，連續(xù)兩個同樣500米的滑行，是運動員無法高質(zhì)量完成的任務(wù)。

在充分了解情況后，科學家和運動隊提出了一個解決方案，這個測試分階段完成?；?00米在充分的休息后，再由運動員背著機器再次滑行。

測試下來，果然數(shù)據(jù)很好，柯鵬說，助推器讓運動員速度至少提升了10%，不僅測試的運動員感到很興奮，其他現(xiàn)場的運動員也表示要試一試。這個“神器”研發(fā)成功了。如今已經(jīng)運用在了運動隊的冰雪訓練計劃中。

從2019年至今，柯鵬團隊讓體育運動競技看到了更多可能。但這背后也有艱辛，柯鵬笑著說，長期和冰雪作戰(zhàn)，團隊里每個成員基本上都被凍感冒過。但沒有一個學生和老師叫苦，責任感讓他們堅持至今。

他表示，即使在奧運會結(jié)束的未來，備戰(zhàn)冬奧所留下的科學態(tài)度和精神財富都將繼續(xù)在高校中傳承。

“測冰神器”給出制冰答案

賽場上的“黑科技”始于人，又不止于人。為幫助冰場提高冰面質(zhì)量，北京航空航天大學交通科學與工程學院副教授柯鵬帶領(lǐng)團隊研發(fā)了“測冰神器”。

測冰車在測冰。受訪者供圖

“我國運動員水平非常高，冰面好不好他們感覺非常明顯?！笨蛮i回憶，在2021年3、4月份，他們冰場有一塊區(qū)域誰都不愿意用，“明明并列排著的兩塊冰，為啥這個好，那個就不好呢？當時大家都很疑惑?！?/p>

于是，柯鵬團隊研發(fā)了測試裝置，從溫度、厚度、硬度、摩擦系數(shù)等方面對冰面進行測試。其中一個裝置就是一個小冰車，車下是冰刀，科學家將涵道風扇裝到了冰車上，推動小車在冰上模擬運動員的壓力條件、滑行速度和滑行過程，利用車上高精度的傳感器，測試冰面的情況，從而獲得具體的參數(shù)，從理論層面對制冰師提出要求。

柯鵬介紹，測冰車已經(jīng)過多次優(yōu)化和完善，在國內(nèi)多個大型冰場實地應用。不僅能測試冰，還可以測試設(shè)備?！氨热缤粔K冰我們可以測試不同的冰刀，同一把冰刀可以測試不同的冰。”

大數(shù)據(jù)應用也會引入其中，柯鵬透露，當測冰車獲得的數(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)庫后期可通過相應指標參數(shù)，算出冰面情況。

采寫 新京報記者 劉洋 校對 付春愔