大數(shù)據(jù)“發(fā)力”提升運(yùn)動(dòng)成績(jī)

劉宇，教育部“長(zhǎng)江學(xué)者”特聘教授，上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)科學(xué)研究院院長(zhǎng)、博士生導(dǎo)師，“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)——冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員技能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

獲國務(wù)院政府特殊津貼，被中組部國家萬人計(jì)劃授予“教學(xué)名師”、上海市“領(lǐng)軍人才”稱號(hào)。主持國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目等國家級(jí)課題多項(xiàng)。發(fā)表科研論文280余篇，獲授權(quán)國家發(fā)明專利、實(shí)用新型專利30余項(xiàng)。

運(yùn)動(dòng)員腳蹬雪板，沿著陡峭的雪道以每小時(shí)近100公里的速度沖下、起跳，在空中飛翔上百米并穩(wěn)穩(wěn)著陸，這就是跳臺(tái)滑雪，一項(xiàng)可以讓人體驗(yàn)“飛翔”的運(yùn)動(dòng)。然而，身處金字塔塔尖的運(yùn)動(dòng)員，成績(jī)每提高一秒都非常不易，甚至可能面臨幾何式增長(zhǎng)的受傷風(fēng)險(xiǎn)，而科技的介入能對(duì)每個(gè)動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行生物力學(xué)分析，幫助提出改進(jìn)方案，最終提高運(yùn)動(dòng)員成績(jī)。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)——冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員技能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人劉宇教授，向記者解讀了科技如何為中國冰雪運(yùn)動(dòng)競(jìng)技提供強(qiáng)大支撐。

問：項(xiàng)目名稱中的“運(yùn)動(dòng)員技能優(yōu)化”是什么概念？

劉宇：運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)成績(jī)主要由他的體能、技能，包括心理認(rèn)知能力等決定，運(yùn)動(dòng)員技能優(yōu)化主要是利用生物力學(xué)的方法和手段，幫助運(yùn)動(dòng)員提高運(yùn)動(dòng)技能。比如，利用三維動(dòng)作捕捉、神經(jīng)生物力學(xué)增能技術(shù)以及可穿戴設(shè)備等，記錄運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)技術(shù)，把他全程運(yùn)動(dòng)的軌跡、運(yùn)動(dòng)的速度、身體的姿態(tài)等信息快速回饋給教練員和運(yùn)動(dòng)員，幫他們進(jìn)行分析，以提高成績(jī)。

問：要達(dá)到您提到的這種技術(shù)效果，項(xiàng)目組目前都做了哪些研究工作？

劉宇：首先，我們?cè)诜椒▽W(xué)上搭建了一個(gè)平臺(tái)，與合作單位開發(fā)了基于人工智能圖像識(shí)別的無mark點(diǎn)三維動(dòng)作捕捉技術(shù)，對(duì)這些優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練進(jìn)行三維動(dòng)作捕捉。過去，訓(xùn)練動(dòng)作捕捉主要是靠視頻，就是把你的外形記錄下來，再靠手工去點(diǎn)，但耗時(shí)比較長(zhǎng)，短則兩三天，多則要半個(gè)月。后來，一些快速的三維動(dòng)作捕捉技術(shù)出現(xiàn)了，比如動(dòng)漫技術(shù)用的添mark點(diǎn)這樣的，但對(duì)運(yùn)動(dòng)員又有干擾。我們現(xiàn)在合作開發(fā)的三維動(dòng)作捕捉技術(shù)，就解決了這些問題，可以無干擾地快速捕捉運(yùn)動(dòng)員的身體姿態(tài)、起跳速度、起跳角度、空中飛行對(duì)稱性等信息。

有了這樣的傳感器和芯片技術(shù)，我們還把它開發(fā)成專門針對(duì)冬季項(xiàng)目的可穿戴設(shè)備，戴在頭上就可以記錄運(yùn)動(dòng)員全程的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)軌跡等信息。北歐兩項(xiàng)國家隊(duì)的教練，看到我們頭上裝著微型傳感器進(jìn)行訓(xùn)練，監(jiān)測(cè)到全程運(yùn)動(dòng)的速度、軌跡和起跳沖擊加速度、落地沖擊加速度，他覺得非常實(shí)用，說這個(gè)技術(shù)他在歐洲還沒有見過。

問：這個(gè)項(xiàng)目2018年立項(xiàng)，經(jīng)過這幾年的發(fā)展，取得了哪些研究成果？

團(tuán)隊(duì)成員在移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室與北歐兩項(xiàng)國家隊(duì)主教練討論運(yùn)動(dòng)員測(cè)試結(jié)果。

劉宇：研究成果我們是邊開發(fā)邊應(yīng)用，剛才說的無論是硬件、軟件都架設(shè)在訓(xùn)練場(chǎng)上，我們還要到河北淶源國家跳臺(tái)滑雪科學(xué)訓(xùn)練基地進(jìn)一步布置三維動(dòng)作捕捉，把設(shè)備固化在訓(xùn)練場(chǎng)。另外，我們還有一個(gè)在國家體育總局冬季項(xiàng)目管理中心授權(quán)下的國家跳臺(tái)滑雪生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際上是一個(gè)移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室，也是由國家“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)支持的。這些移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室可以把運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練過程中的數(shù)據(jù)都記錄下來，可以及時(shí)甚至現(xiàn)場(chǎng)就反饋給教練員和運(yùn)動(dòng)員，相當(dāng)于給訓(xùn)練裝上了“第三只眼”。除了視頻回饋，我們還能把一些重要的生物力學(xué)、技術(shù)等方面的信息快速地回饋給教練員和運(yùn)動(dòng)員，用于指導(dǎo)訓(xùn)練。

問：這些科研數(shù)據(jù)具體是如何提高運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的？

劉宇：過去教練員指導(dǎo)訓(xùn)練主要憑經(jīng)驗(yàn)或者一些視頻信息，缺少精準(zhǔn)分析或技術(shù)診斷。我們現(xiàn)在利用生物力學(xué)快速回饋系統(tǒng)提供相對(duì)準(zhǔn)確的信息，運(yùn)動(dòng)員用這些信息和數(shù)據(jù)，可以和自己以前比較或者和國際優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行比較，然后針對(duì)性地開展訓(xùn)練。

比如，我們運(yùn)動(dòng)員滑行速度和國外運(yùn)動(dòng)員差不多，但是垂直躍起速度相對(duì)比較弱，教練員掌握這個(gè)信息就會(huì)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員的起跳能力，如果起跳每秒提高0.1米，運(yùn)動(dòng)員成績(jī)肯定會(huì)更好，甚至能提高幾米。

另外，通過回饋的數(shù)據(jù)，教練員對(duì)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)也更了解了，也許會(huì)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員起跳以后的軀干和水平面的夾角相對(duì)國際優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員比較大，另外翻轉(zhuǎn)的時(shí)機(jī)又比較晚，蹬伸也不太充分，等等。看到這些數(shù)據(jù)，教練員就清楚哪些是運(yùn)動(dòng)員的短板，可以更精準(zhǔn)地指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員，在訓(xùn)練中進(jìn)行反復(fù)地調(diào)整，最終提高運(yùn)動(dòng)員成績(jī)。

問：請(qǐng)您以場(chǎng)景為例講述一下，運(yùn)動(dòng)員如何利用這些成果進(jìn)行技能優(yōu)化和技術(shù)訓(xùn)練？

劉宇：這個(gè)項(xiàng)目服務(wù)了國家跳臺(tái)滑雪隊(duì)、國家自由式滑雪空中技巧隊(duì)，還有U型場(chǎng)地技巧隊(duì)。比如跳臺(tái)滑雪，是從一個(gè)很高的山坡上起跳，然后借助滑道滑下來。它以每小時(shí)90公里這樣的一個(gè)高速度滑下來，在空中就像飛機(jī)降落一樣，可以飛行100多米。當(dāng)然，標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)可以飛到110米，大跳臺(tái)可以到140米這樣的距離，運(yùn)動(dòng)范圍非常大。過去教練員只能記錄到運(yùn)動(dòng)員躍出跳臺(tái)區(qū)前一小段平均速度，但我們這個(gè)技術(shù)可以全程監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡，我們?cè)诔雠_(tái)區(qū)架設(shè)的三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，可以看到運(yùn)動(dòng)員起跳的時(shí)候速度是多少、身體重心的速度是多少、身體左右的對(duì)稱性、什么時(shí)候開始蹬伸這些信息，這都是決定運(yùn)動(dòng)成績(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。我們利用這些技術(shù)指導(dǎo)他們訓(xùn)練。

團(tuán)隊(duì)成員在國家跳臺(tái)滑雪中心安裝三維視頻動(dòng)作捕捉測(cè)試儀器。

問：基于現(xiàn)在的這些研究成果，接下來科研人員還有哪些工作要做？

劉宇：冬奧會(huì)馬上就要召開了，我們也在快馬加鞭進(jìn)一步完善技術(shù)。根據(jù)跳臺(tái)滑雪教練的要求，我們除了在出臺(tái)區(qū)和全程監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)軌跡以外，還在出臺(tái)以后的20米、40米、60米、80米以及落地區(qū)捕捉信息、精細(xì)分析運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作，總結(jié)運(yùn)動(dòng)員的飛行姿態(tài)、產(chǎn)生飛行的升力和升阻比等情況。

就像剛才我提到的飛機(jī)降落，跳臺(tái)滑雪降落要著地的時(shí)候，有的運(yùn)動(dòng)員早早落地，就像我們飛機(jī)有時(shí)候的硬著陸。這些信息我們記錄下來，告訴運(yùn)動(dòng)員還可以飛得再稍微久一點(diǎn)，落地的姿態(tài)可以再稍微延伸一些，能夠多利用空氣升力，哪怕是零點(diǎn)零幾秒，也會(huì)對(duì)提高成績(jī)有幫助。

問：為促進(jìn)我國體育事業(yè)發(fā)展，科研人員在運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域還有哪些工作要做？

劉宇：中國從體育大國走向體育強(qiáng)國，一定需要科技。冰雪運(yùn)動(dòng)要發(fā)展，一定要走科技創(chuàng)新之路。在后冬奧時(shí)代，科技之路還很漫長(zhǎng)，因?yàn)楦?jìng)技體育實(shí)際就是科技競(jìng)爭(zhēng)，很多高水平運(yùn)動(dòng)員或者是體育成績(jī)比較好的運(yùn)動(dòng)員，都來自經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家，實(shí)際也都是科技比較發(fā)達(dá)的國家。所以要贏得這場(chǎng)沒有硝煙的體育科技競(jìng)賽，國家要持續(xù)支持體育科技的研究。

另外，我們科研人員也要結(jié)合多學(xué)科的力量，除了運(yùn)動(dòng)科學(xué)，還要聯(lián)系生命科學(xué)、腦科學(xué)等，以人來研究、提高運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)能力，使我國體育科技也走在世界前列，成為真正的體育強(qiáng)國，這也是對(duì)我國科技強(qiáng)國建設(shè)的有力推動(dòng)。