北京冬奧會(huì)“科技8問”

杜涉

在全球疫情防控常態(tài)化的背景下，“防疫”是冬奧會(huì)主辦方工作的重中之重。

新型冠狀病毒（簡(jiǎn)稱新冠病毒）的傳播途徑主要為直接傳播、氣溶膠傳播和接觸傳播。氣溶膠傳播是指飛沫混合在空氣中形成氣溶膠，吸入后導(dǎo)致感染，氣溶膠的傳播距離較遠(yuǎn)，能達(dá)到數(shù)十米至數(shù)百米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過飛沫的傳播距離。

為了防止新冠病毒通過氣溶膠傳播，冬奧會(huì)期間，接待各國(guó)運(yùn)動(dòng)員代表隊(duì)的酒店、比賽場(chǎng)所均安裝了氣溶膠新冠病毒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過生物氣溶膠采樣器可采集空氣中的新冠病毒顆粒，并將病毒顆粒放入核酸分析儀，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)核酸提取、檢測(cè)，并出具檢測(cè)報(bào)告。僅需30分鐘，就可完成采集和新冠病毒高靈敏檢測(cè)。氣溶膠新冠病毒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，將全面監(jiān)控場(chǎng)館、酒店的空氣中是否含有新冠病毒。

除了病毒監(jiān)控系統(tǒng)，比賽場(chǎng)館內(nèi)的空調(diào)中還安裝了病原體空氣消殺系統(tǒng)，布設(shè)消毒機(jī)器人，利用無人化手段實(shí)現(xiàn)冬奧場(chǎng)館、酒店的自動(dòng)消殺。除了傳統(tǒng)的消毒方式，還有分子篩微納米催化過濾材料消毒、紫外線消毒、等離子消毒等措施，將分別應(yīng)用于循環(huán)冷卻水和水處理系統(tǒng)的消毒、空氣的消毒以及物體表面的消毒。

冬奧會(huì)延慶賽區(qū)場(chǎng)館的廚師、冷鏈物流人員、保安等接觸人員較多的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)人群將采用一種新型測(cè)溫技術(shù)——智能測(cè)溫貼。該智能測(cè)溫貼是全球尺寸最小、測(cè)溫最精準(zhǔn)的醫(yī)療級(jí)可穿戴式連續(xù)測(cè)溫設(shè)備。智能測(cè)溫貼通過前端智能體溫計(jì)搭配相關(guān)管理系統(tǒng)，可開展遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、全域性體溫檢測(cè)，能精準(zhǔn)、快速鎖定體溫異常人群，提升管理效率，保障疫情防控工作。

2.運(yùn)動(dòng)員的服裝能自加熱，還能用手機(jī)調(diào)控溫度？

運(yùn)動(dòng)員長(zhǎng)期處于低溫環(huán)境中，不僅影響運(yùn)動(dòng)能力，還可能造成凍傷。張家口崇禮區(qū)曾出現(xiàn)氣溫低至-40℃的極端天氣，許多堅(jiān)持訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員出現(xiàn)了不同程度的凍傷。“科技冬奧”課題組的科研人員進(jìn)行調(diào)研攻關(guān)，一套被稱為“堡壘”的綜合保暖系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。穿上自加熱服裝，在氣溫-30℃的環(huán)境下可持續(xù)作業(yè)8小時(shí)以上，有效減少運(yùn)動(dòng)員在比賽候場(chǎng)及訓(xùn)練時(shí)的熱量損耗，讓運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練不再因天氣而受到影響。

根據(jù)加熱方式的不同，加熱服裝可以分為電加熱服裝、太陽能加熱服裝、化學(xué)能加熱服裝、相變材料加熱服裝和溫度自適應(yīng)加熱服裝等。不過，無論是利用太陽光蓄熱材料吸收太陽輻射，還是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量或相變材料儲(chǔ)能來進(jìn)行保暖，都存在適用范圍小、溫度不可控等缺陷?？蒲腥藛T為冬奧會(huì)運(yùn)動(dòng)員提供的自加熱裝備采用了電加熱技術(shù)。課題組在保暖手套和保暖面罩中集成了電加熱片，通過控制器將其與鋰電池連接。例如，手套所配備的鋰電池容量為3300毫安，重量大約100克，充電一次，可以持續(xù)加熱近5小時(shí)。電池體積小、質(zhì)量輕，可放入手套和面罩的電池袋中，即便運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行高速、劇烈的運(yùn)動(dòng)，也不會(huì)影響穿戴的舒適性。

自發(fā)熱服裝最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)難點(diǎn)是研發(fā)電加熱片的材料。在基于碳紙的柔性加熱織物、基于導(dǎo)電紗線的刺繡加熱織物和基于鍍銀紗線的一體成型加熱服裝等方面，課題組均實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。例如，基于碳紙的柔性加熱織物是將厚度僅50微米的導(dǎo)電碳紙封裝到兩片織物間，可以提高加熱織物的強(qiáng)度和耐水洗性，通過調(diào)節(jié)碳紙的形狀和連接方式，可以實(shí)現(xiàn)不同功率密度的加熱織物。一般來說，加熱織物的功率密度越大，其加熱能力越強(qiáng)，升溫速率越快，能更好地調(diào)節(jié)服裝內(nèi)部溫度。

科研人員還為加熱織物配置了加熱控溫模塊和溫度控制應(yīng)用程序（App），這種加熱織物可集成到服裝中，同時(shí)支持手動(dòng)按鍵控制與App智能控制。運(yùn)動(dòng)員可通過手機(jī)App或手動(dòng)按鍵控制隨意調(diào)節(jié)加熱服裝的溫度，以便適應(yīng)氣溫、體溫的變化。

競(jìng)技比賽中，往往失之毫厘，差之千里，百分之一秒的差距就能決定比賽勝負(fù)。與夏季奧運(yùn)會(huì)相比，很多冬奧會(huì)的比賽項(xiàng)目速度更快。比如，男子500米速度滑冰的世界紀(jì)錄為34.03秒，約合52.89千米每小時(shí)；男子100米短跑的世界紀(jì)錄為9.58秒，約合37.58千米每小時(shí)。對(duì)速度更快的比賽項(xiàng)目而言，比賽服裝影響更大。讓冬奧會(huì)“戰(zhàn)衣”在“提速”上更上一層樓，科研團(tuán)隊(duì)煞費(fèi)苦心。

冬奧會(huì)“戰(zhàn)衣”的研發(fā)團(tuán)隊(duì)為了更好地實(shí)現(xiàn)“量體裁衣，減阻提速”的目標(biāo)，采用了人體數(shù)字采集等新技術(shù)，通過傳感器跟蹤運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)過程，捕捉其運(yùn)動(dòng)信息，將追蹤到的三維曲面生成時(shí)裝版型。利用“服裝三維立體版型數(shù)字化采集裝置”“體掃描姿態(tài)穩(wěn)定輔助裝置”等最新專利技術(shù)，可自動(dòng)生成服裝版型的設(shè)計(jì)，滿足比賽中高速運(yùn)動(dòng)的需要。

速度滑冰運(yùn)動(dòng)員一般穿著緊身連體運(yùn)動(dòng)裝，服裝表面看似光滑，其實(shí)采用了一種有肌理的凹坑結(jié)構(gòu)面料，能有效減小阻力。研發(fā)團(tuán)隊(duì)在全球范圍內(nèi)搜集和測(cè)試了150多種面料的基礎(chǔ)性能，但未能找到最滿意的面料。最終研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)減阻結(jié)構(gòu)，研發(fā)出最新減阻面料。每件運(yùn)動(dòng)服都是根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的身材量身定制，不僅貼合中國(guó)運(yùn)動(dòng)員體型，還會(huì)根據(jù)其技戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行最終設(shè)計(jì)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)還利用流體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，構(gòu)建三維空氣動(dòng)力模型，進(jìn)行風(fēng)洞綜合驗(yàn)證。與現(xiàn)役冬季項(xiàng)目比賽服相比，新款速度滑冰比賽服減阻率超過10%，逐步實(shí)現(xiàn)“最佳姿態(tài)+適度壓縮+最佳減阻結(jié)構(gòu)”。

在短道速滑比賽中，競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，運(yùn)動(dòng)員在碰撞中摔倒、被冰刀劃傷的事故并不鮮見。此次冬奧會(huì)短道速滑比賽服裝除了具備肌肉壓縮、減阻等功能，還采用了新型高彈防切割面料。研發(fā)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用國(guó)內(nèi)專利技術(shù)，讓服裝材料由單向防切割升級(jí)為雙向防切割，不僅彈性極佳，而且防切割性能提高近30%。在高彈防切割比賽服的防護(hù)下，運(yùn)動(dòng)員可以在比賽中更加自信，全力以赴創(chuàng)造更好的成績(jī)。

在高山滑雪比賽中，運(yùn)動(dòng)員的速度可達(dá)130千米每小時(shí)，即使無風(fēng)也如在大風(fēng)中穿行。在高速運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)員還要完成高難度的轉(zhuǎn)彎、穿越旗門等動(dòng)作，肩、大腿、肋部的軟組織極易受傷，所以要求服裝具備較好的防護(hù)功能。研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用新型柱狀陣列式抗沖擊結(jié)構(gòu)和新型吸能緩震材料，研發(fā)出墊片、護(hù)片、背夾等護(hù)具，以減少運(yùn)動(dòng)員穿越旗門時(shí)抽打的痛感以及意外造成的身體傷害。

在高山滑雪比賽項(xiàng)目中，當(dāng)天氣溫、風(fēng)速等天氣和自然環(huán)境變化會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的比賽成績(jī)?cè)斐捎绊憽８鶕?jù)規(guī)定，正式比賽之前每支隊(duì)伍只有一天時(shí)間在賽道上測(cè)試。時(shí)間太短，運(yùn)動(dòng)員難以快速熟悉比賽場(chǎng)地，很難在陌生環(huán)境中發(fā)揮出最高水平。

科研團(tuán)隊(duì)為了解決這一問題，通過“機(jī)器人技術(shù)+虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+人工智能技術(shù)”，將虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）滑雪體驗(yàn)系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融為一體。戴上眼鏡，拿起手柄，雙眼緊盯屏幕，雙臂快速擺動(dòng)……就可進(jìn)入滑雪體驗(yàn)系統(tǒng)。畫面中的自然景觀及耳邊的風(fēng)雪音效，令人仿佛瞬間置身于真實(shí)的滑雪場(chǎng)地。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集滑雪賽場(chǎng)的自然環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸入滑雪體驗(yàn)系統(tǒng)，建立信息多源實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)，利用VR重建滑雪場(chǎng)景信息并顯示出來。運(yùn)動(dòng)員可利用該系統(tǒng)提前進(jìn)行仿真訓(xùn)練，體驗(yàn)滑雪場(chǎng)地的地理風(fēng)貌，體驗(yàn)賽道狀況，改善臨場(chǎng)發(fā)揮水平。教練團(tuán)隊(duì)可以利用該系統(tǒng)糾正運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練動(dòng)作，提高訓(xùn)練效率。

該系統(tǒng)還可用于春、夏、秋季運(yùn)動(dòng)員的滑雪訓(xùn)練及滑雪愛好者的室內(nèi)仿真滑雪體驗(yàn)。對(duì)滑雪感興趣的初學(xué)者可利用該系統(tǒng)體驗(yàn)高山滑雪、自由式滑雪等滑雪項(xiàng)目。針對(duì)亞健康者、殘障人士以及老年人，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還研制了可穿戴外骨骼機(jī)器裝置，為容易出現(xiàn)肌肉疲勞或者進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間體驗(yàn)的滑雪愛好者提供幫助。

冰球是同場(chǎng)集體性球類項(xiàng)目中對(duì)抗最激烈的比賽項(xiàng)目，攻防之間經(jīng)常轉(zhuǎn)換，運(yùn)動(dòng)員要在幾分鐘內(nèi)完成超負(fù)荷的激烈對(duì)抗，在對(duì)抗中受傷時(shí)有發(fā)生。在如此激烈的比賽過程中，現(xiàn)場(chǎng)僅配備醫(yī)生和急救箱遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

北京冬奧會(huì)的冰球場(chǎng)館內(nèi)配備了一輛特殊的大型廂式貨車，它就是“科技冬奧”的專項(xiàng)項(xiàng)目成果——冬奧會(huì)凍傷及頜面創(chuàng)傷移動(dòng)式智能化診療平臺(tái)（簡(jiǎn)稱“智能診療車”）?！爸悄茉\療車”由診室和CT室兩部分組成，配備CT機(jī)、凍傷面部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、心電監(jiān)護(hù)儀、血液分析儀、智能心肺復(fù)蘇儀、便攜式呼吸機(jī)等設(shè)備，確保受傷人員能得到迅速、高效的醫(yī)療護(hù)理和緊急處置?！爸悄茉\療車”內(nèi)安裝了網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)接口及人工智能軟件，能夠有效提高凍傷及頜面創(chuàng)傷現(xiàn)場(chǎng)診療的效率，實(shí)現(xiàn)科學(xué)快速的現(xiàn)場(chǎng)診治流程，同時(shí)可高效完成與醫(yī)院的信息對(duì)接，讓轉(zhuǎn)診過程暢通無阻。

比賽中，冰球運(yùn)動(dòng)員受到的損傷以頜面創(chuàng)傷為主。出現(xiàn)頜面創(chuàng)傷的運(yùn)動(dòng)員往往伴隨氣道的損傷，此時(shí)便攜式呼吸機(jī)就會(huì)派上用場(chǎng)。這種呼吸機(jī)雖然小巧，但性能上接近重癥監(jiān)護(hù)病房的呼吸機(jī)，可避免受傷者因缺氧造成機(jī)體損傷。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員出現(xiàn)皮膚破損等外傷時(shí)，“智能診療車”的血液分析儀可以完成血常規(guī)生化和血?dú)夥治龅臋z測(cè)，確認(rèn)運(yùn)動(dòng)員受傷后身體的變化。

CT有一定輻射性，如何減少輻射對(duì)醫(yī)護(hù)人員和傷員的傷害呢？原來，“智能診療車”中的設(shè)備是錐形束CT，它更輕便，輻射強(qiáng)度更低，車內(nèi)墻體也安裝了防輻射設(shè)施。在CT滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，不僅車外的人員是安全的，車內(nèi)的人員只要在CT室門外也是安全的。

為了保證醫(yī)療信息快速傳遞，比賽現(xiàn)場(chǎng)的醫(yī)護(hù)人員都要佩戴一個(gè)遠(yuǎn)程的診療記錄儀，記錄儀中有一張5G信號(hào)卡。醫(yī)護(hù)人員在入場(chǎng)救援時(shí)，可以通過該設(shè)備實(shí)時(shí)記錄診療過程的圖像和聲音。這些診療信息通過5G網(wǎng)絡(luò)傳遞到中控臺(tái)，中控臺(tái)的值守人員收到比賽現(xiàn)場(chǎng)醫(yī)生對(duì)傷員的診斷信息后，會(huì)第一時(shí)間聯(lián)系專家?guī)斐蓡T，同時(shí)“智能診療車”會(huì)根據(jù)診斷信息盡快做好救治準(zhǔn)備。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)員來說，未感到疲勞的訓(xùn)練對(duì)提高比賽成績(jī)是無效的，但是長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷訓(xùn)練產(chǎn)生的疲勞積累又可能帶來傷病，同時(shí)也會(huì)影響訓(xùn)練效果。為了破解訓(xùn)練中的“疲勞困局”，冬奧會(huì)科技研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造了冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員疲勞快速消除系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱疲勞快速消除系統(tǒng)）。

從外部看，疲勞快速消除系統(tǒng)是一個(gè)白色圓形艙，艙體線條柔和，高度接近普通成年人身高，要想進(jìn)入艙內(nèi)，必須彎腰低頭。艙內(nèi)有一把長(zhǎng)椅，還有迷你桌板和監(jiān)測(cè)儀器。系統(tǒng)由微壓補(bǔ)氧設(shè)備和經(jīng)顱脈沖電刺激儀組成，艙內(nèi)氣壓是1.3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，能促進(jìn)血液循環(huán)，人體吸收氧氣量隨之增加，可幫助運(yùn)動(dòng)員縮短恢復(fù)時(shí)間，提升疲勞恢復(fù)效果，提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。經(jīng)顱脈沖電刺激儀可刺激腦部神經(jīng)、外周神經(jīng)及肌肉，有利于改善運(yùn)動(dòng)員的大腦及神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)。

經(jīng)過高強(qiáng)度訓(xùn)練或比賽之后，在疲勞快速消除系統(tǒng)的幫助下，筋疲力盡的運(yùn)動(dòng)員只需50分鐘就可以恢復(fù)體力，精神狀態(tài)也能回到運(yùn)動(dòng)前的水平。

張家口冬奧會(huì)場(chǎng)館區(qū)域海拔約2千米，是此次冬奧會(huì)三個(gè)賽區(qū)中海拔最高的區(qū)域。在每年二三月份，張家口高海拔地區(qū)最低溫度可能降至-30℃以下。在高山、低溫、冰凍、大風(fēng)的極端環(huán)境下如何保障網(wǎng)絡(luò)暢通？如何保障5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不減速？

冬奧會(huì)通信技術(shù)團(tuán)隊(duì)根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境為冬奧會(huì)相關(guān)區(qū)域提供了專門通信，加強(qiáng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。張家口奧林匹克村所在的太子城區(qū)域?qū)崿F(xiàn)3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)完整覆蓋。在5G網(wǎng)絡(luò)上采用3.5G寬頻技術(shù)，下載速率可達(dá)1.7Gbps，是國(guó)內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)中最快的下載速度。

在覆蓋高速5G網(wǎng)絡(luò)的比賽場(chǎng)館中，多維度觀賽體驗(yàn)和VR直播技術(shù)便可大展拳腳。例如，在北京五棵松體育中心，60個(gè)采用5G+8K技術(shù)的相機(jī)呈180度吊裝在競(jìng)賽場(chǎng)館內(nèi)環(huán)形屏的下方，比賽開始后，便可對(duì)賽事進(jìn)行全面拍攝?，F(xiàn)場(chǎng)觀眾只需掃描二維碼，下載應(yīng)用程序，就可以體驗(yàn)180度自由視角觀賽和沉浸式直播，實(shí)時(shí)觀看自主選擇的比賽瞬間。

過去大家觀看的體育賽事直播畫面，是由導(dǎo)播人員在轉(zhuǎn)播車上對(duì)多路攝像機(jī)拍攝的畫面合成的一路信號(hào)，畫面由導(dǎo)播主導(dǎo)，觀賽人員無法自主選擇“看什么”。多維度觀賽體驗(yàn)和VR直播技術(shù)則可讓觀眾通過手機(jī)、VR頭盔等設(shè)備實(shí)現(xiàn)自由視角和VR直播觀看，實(shí)現(xiàn)用戶自主交互式觀賽體驗(yàn)，改變固定視角和被動(dòng)式觀賽的傳統(tǒng)直播方式。該技術(shù)首次通過三維重建和渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了用戶交互式、連續(xù)自由視點(diǎn)視頻生成與傳輸，觀眾看得更清晰、更真實(shí)，能身臨其境地感受比賽。后續(xù)還將加入人物跟蹤技術(shù)，觀眾可以選擇心儀的運(yùn)動(dòng)員，跟蹤該運(yùn)動(dòng)員的畫面，一飽眼福。

在一些新聞節(jié)目中，畫面上會(huì)出現(xiàn)一位手語播報(bào)員為聽障人士服務(wù)，很好地滿足了聽障人士獲取新聞信息的需求。不過，在所有視頻節(jié)目中都安排手語播報(bào)員，顯然成本過高，無法實(shí)現(xiàn)。在此次冬奧會(huì)上，新聞播報(bào)員的身邊會(huì)出現(xiàn)一個(gè)手語播報(bào)數(shù)字人。手語播報(bào)數(shù)字人可根據(jù)收聽到的語音，自動(dòng)實(shí)時(shí)生成手語手勢(shì)，幫助聽障人士輕松了解新聞信息。手語播報(bào)數(shù)字人為什么能聽懂新聞呢？原來，科研人員采用了目前最先進(jìn)的人工智能技術(shù)。手語播報(bào)數(shù)字人以“悟道2.0”超大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練模型為底層核心技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)智能化的手語生成，達(dá)到信息無障礙效果，讓聽障人士也能輕松、高效地獲取比賽信息，體驗(yàn)冬奧會(huì)的精彩。

一只長(zhǎng)得像狗，卻有六條腿的機(jī)器人，可能是此次冬奧會(huì)上最“萌”的機(jī)器人。當(dāng)“六腿小狗”第一次出現(xiàn)在冬奧科技展館中時(shí)，很多好奇的小朋友都興奮地趴在地上與它交流、玩耍。其實(shí)，憨厚可愛的“六腿小狗”并非玩具機(jī)器人，它在冬奧會(huì)上將肩負(fù)重任?！傲刃」贰钡拇竺菍?dǎo)盲六足機(jī)器人，是針對(duì)視障人士參與賽事活動(dòng)的導(dǎo)盲需求而研發(fā)的機(jī)器人，可為冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)賽事活動(dòng)中的視障人士提供引導(dǎo)。導(dǎo)盲六足機(jī)器人可通過語音、操控設(shè)備輸入等方式獲取目的地信息，通過精確導(dǎo)航定位進(jìn)行路徑規(guī)劃，利用視覺和力覺融合進(jìn)行行走穩(wěn)定控制，引導(dǎo)視障人士順利出行。