智能化设备助力冬奥健儿科学训练

在即将到来的北京2022年冬奥会中，高山滑雪、越野滑雪、跳台滑雪等雪上运动项目吸引了许多人的关注。运动员在坚持不懈、不断训练的背后是越来越强大的科技力量。运动员是科技创新的受益者，科学训练离不开科技的助力。近日举办的首都科学讲堂邀请北京理工大学宇航学院副院长、科技部“科技冬奥”专项“国家科学化训练基地建设关键技术研究与示范”项目负责人霍波教授，揭秘雪上运动如何科学化训练以及背后的科技支撑。

室内模拟滑雪让运动员身临其境

作为冰雪运动发展历史相对较短的国家，我国雪期短、雪上项目标准赛道少，导致运动员训练时间有限。其中的关键就在于我国缺少先进的训练装备、综合训练分析评估系统和相关的科学化训练技术和手段。

针对这一问题，科技部“科技冬奥”专项启动“国家科学化训练基地建设关键技术研究与示范”项目，通过多学科交叉融合，突破领域间壁垒，打通“学—研—用”全链条，建设冬季项目国家科学化训练基地。

为提高运动员的成绩，项目组研发了多种装备，其中一类就是帮助运动员在室内进行模拟训练的装备，让他们在室内滑雪机上进行滑雪，而能够监测在真实滑雪场上滑行的姿态和场景，让运动员身临其境地进行相应的训练。

霍波介绍说，为在室内获得实际雪场的体验感，项目课题组研发了冬季项目场景三维感知及重建技术。具体来说，课题组研发了基于激光三维扫描点云与可见光图像融合的场景感知系统、模拟赛场环境的高精度虚拟场景系统，重建高精度的比赛场景用于运动员模拟训练。

将这些重建的真实赛道放到大屏上，进行室内滑雪模拟训练，就要用到另一项成果——室内多自由度模拟滑雪训练系统，就是研制室内模拟滑雪机，使运动员在室内也像在真实赛道上一样滑行，为运动员提供竞赛用训练设备，并通过对人体及设备数据采集与分析，建立科学化训练决策支持系统。

“精准到肌肉”智能化训练提升效率

如何为运动员提供个体化训练方案？霍波说：“冬季项目训练智能管理系统提供了解决方案。”这套系统会采集运动员的人体生命体征参数、肌肉骨骼系统模型、三维运动姿态，以及在地面滑行时受到的摩擦力、空气的阻力等数据，并进行分析，对教练员和运动员进行训练，帮助他们提高训练的效率。

项目组研发了一系列传感器来得到运动员的生理参数，在此基础上进行人体骨骼肌肉的分析。在确定目前没有人体全身骨骼肌肉的模型之后，团队成员花了三年多的时间，构建了一个包含人体运动所需共680个肌肉束及人体主要的运动关节自由度的人体模型。有了这个全身模型以后，就可以针对特定运动项目进行简化，明确各运动项目所需关键肌肉群，并还原各种冬季项目运动。

举例来说，越野滑雪运动的关键性肌肉是胸大肌、背阔肌、大圆机、腹直肌、腹外斜肌、竖脊肌等；跳台滑雪运动的关键性肌肉则是竖脊肌、腹直肌、腹外斜肌、腹内斜肌、腘绳肌、缝匠肌、臀大肌等。

通过这些科学分析，项目建立了耦合肌电信号的肌肉力学模型，计算不同姿态下的肌肉力，帮助运动员进行有针对性的体能训练，并且进行了相关的实验测试，评估全身肌肉的激活，计算单个肌肉的功耗，以及对器械进行优化改进。

霍波说：“总的来说，在整个冬奥备战技术应用过程中，我们希望发展准确、实时、易用的运动学、动力学、生理功能监测和分析技术；建立准确、优化、特定的骨骼肌肉生物力学模型和分析方法；发展耦合人体与装备相互作用的动力学分析技术；发展结合空气动力学分析的人体动力学分析方法，助力冬奥夺金。”