柔性可穿戴傳感器用于籃球技術動作監(jiān)測及傷病預防的研究

程曉雯 楊勇

（云南師范大學 云南 昆明 650000）

引言

在籃球訓練的諸多內容中，與籃球基本功相關的技術動作訓練是極為重要的環(huán)節(jié)，籃球基本功是籃球運動員必須掌握的基本技能，是掌握全面復雜的籃球技術的基礎，它存在于各項基本技術之中，比如，傳接球技術、運球技術、投籃技術、防守技術、腳步移動等等。而上述的每個基礎技術動作都是由身體各部位相互配合協(xié)調完成的，這些身體部位主要包含上肢（肩、臂、肘、手）、下肢（腳、腿、膝、臀）以及軀干（腰部、背部），籃球教練員在指導運動員基本功訓練時需要對每個技術動作做出指正，也就需要對不同身體部位的動作都進行捕捉、還原，并與標準動作比較。但是目前，絕大多數(shù)職業(yè)和基層籃球訓練都是采用視頻分析法分析運動員的技術動作。視頻法是最為直接的分析方法，不需要運動員佩戴任何特殊儀器，但受限于視頻清晰度、遮擋與拍攝角度，在實際使用中存在諸多不便。而且，教練員在賽后需要逐幀觀看運動員視頻數(shù)據(jù)，只能憑借經(jīng)驗判斷運動員技術動作好壞。為了解決上述問題，新興的慣性動作捕捉方法是一種可替代方法。但傳統(tǒng)的慣性傳感器主要由加速度測量儀、磁力計和陀螺儀組成，這些部件都是剛性的，便攜性和隱蔽性太差，不方便使用。

在當前“人工智能與體育實體競技深度融合”政策的指導下，利用人工智能、大數(shù)據(jù)技術以及柔性傳感技術對運動員每個基本技術動作進行實時監(jiān)測、捕捉和反饋是技術訓練極為關鍵的一步。近些年來，柔性可穿戴應變傳感器得到了廣泛的研究和利用，它們可以將運動時身體各關節(jié)部位的應變轉變?yōu)殡娮枳兓?，從而可以分析出不同的運動狀態(tài)。而且，相比于剛性慣性傳感器，柔性應變傳感器在柔性、穿戴舒適性、便捷性、響應速度方面更具優(yōu)勢，而且其應變的范圍更適合于復雜的非平面表面。比如，人體的肘關節(jié)、膝關節(jié)等，因此在可穿戴運動姿態(tài)監(jiān)測方面有著潛在的應用前景。在第一部分中，將重點闡述柔性可穿戴應變傳感器應用于籃球基本技術動作監(jiān)測方面的具體要求以及相關研究進展。

特別地，投籃是籃球運動中一項關鍵性技術，是最直接有效的得分手段；在第二部分，將單獨闡述柔性觸覺壓力傳感器及手指彎曲傳感器應用于投籃手型指導與糾正。此外，大多數(shù)籃球訓練動作都需要通過足部與地面相互作用達到維持、改變身體狀態(tài)的效果，同時，經(jīng)研究表明，膝關節(jié)運動損傷和足底病變是籃球運動中的主要運動損傷。因此，在第三部分，將單獨闡述柔性足底壓力傳感器應用于足底壓力監(jiān)測和傷病預防。

1、柔性可穿戴應變傳感器用于籃球基本技術動作監(jiān)測

根據(jù)文獻檢索，現(xiàn)有的柔性可穿戴應變傳感器大多是基于接觸電阻機制，即通過各種柔性傳感材料及相應微結構設計實現(xiàn)導電微結構的接觸關系變化，以此形成傳感器的可拉伸性和應變-電阻變化。常用的傳感材料包括碳基材料（如，碳納米管、石墨烯、碳化絲綢、炭黑等）或金屬納米線（金、銀等），相應的微結構有類彈簧結構、島隙結構、和類魚鱗結構等。根據(jù)應變量大小，柔性應變傳感器的監(jiān)測范圍主要有兩類：肌肉小應變和關節(jié)大應變。具體為：監(jiān)測面部肌肉產(chǎn)生的小應變可用于監(jiān)測情緒變化；監(jiān)測手臂、腿部、腹部肌肉等產(chǎn)生的小應變可用于監(jiān)測運動中的肌肉疲勞度、心率變化、呼吸節(jié)律等；監(jiān)測各身體部位關節(jié)處的大應變可用于動作姿態(tài)監(jiān)測。本維度的研究內容主要是針對后者。

用于人體大應變動作姿態(tài)監(jiān)測的柔性可穿戴應變傳感器要對身體部位關節(jié)處的應變進行實時監(jiān)測，因此不能影響運動員穿著的舒適性。同時必須具有一定的拉伸性和彈性，通過分析檢索出來的高質量文獻發(fā)現(xiàn)，基于彈性針織物結構的柔性應變傳感器可以完全滿足上述需求，近些年來，集針織應變傳感器為一體的彈性服裝在實時運動監(jiān)測方面的應用已經(jīng)得到了廣泛的關注和研究，這類傳感器可以與運動服裝集成從而減少與皮膚的接觸，所采用的彈性針織物是指具有大應變和高度拉伸性的材料，可隨人體肢體運動產(chǎn)生顯著變形，加入導電纖維可將織物變形轉換成電信號變化，從而實現(xiàn)運動監(jiān)測。像在2015年，胡吉永等人便通過實驗發(fā)現(xiàn)，聚吡咯導電織物適用于開發(fā)監(jiān)測人體上肢肘關節(jié)運動的柔性慣性傳感器，聚吡咯導電物不僅能吸附在織物表面，且被吸附在織物內部的每一根纖維表面，可反映所制備導電織物作為傳感器敏感材料的穩(wěn)定性。準靜態(tài)運動的測試結果表明，導電織物的拉伸電阻變化及其方向性差異能用于表征人體上肢的彎曲、旋轉運動及肢體運動的動態(tài)過程。類似地，溫雯、方方等人將柔性織物應變傳感器置入到彈性緊身運動服裝上，并對柔性傳感器進行應變—電阻試驗，監(jiān)測該傳感器在關鍵的關節(jié)以及肌肉部位上的電阻變化情況，通過比較不同運動狀態(tài)下電阻值的差異來表征人體在跑步動態(tài)過程中下肢的運動狀態(tài)。

基于織物結構的應變傳感器存在的最大問題就是由于織物在拉伸作用下會產(chǎn)生塑性變形，會使得工作穩(wěn)定性較低，而且導電織物的響應在人體關節(jié)運動中均具有滯后性及波動性，會使得應變—電阻感測的準確性降低。為了改善織物傳感器的上述問題并構建一種簡單的可穿戴運動識別系統(tǒng)，李煜天等人制備了一種鍍銀錦綸型針織應變傳感器，并進行了二維單向拉伸以及三維曲面的傳感測試，包括靈敏度、滯后性、重復性、穩(wěn)定性等傳感性能指標。經(jīng)測試表明，兩種傳感應變方式都具有良好的靈敏度、循環(huán)重復性及連續(xù)工作穩(wěn)定性。在靈敏度和滯后性方面：三維曲面?zhèn)鞲袘兏袦y范圍可以達到140%，在感測范圍0-120%應變率內，傳感器電阻變化率和應變呈正相關性，該有效范圍是二維傳感的兩倍，而且三維傳感響應時間更短；在穩(wěn)定性方面：經(jīng)過3000次循環(huán)重復拉伸回復試驗后，應變傳感器重現(xiàn)性良好，具有一定的長期穩(wěn)定傳感性能。由于這種良好的三維傳感性能，該應變傳感器對被測物體傳感方向及物體表面形狀限制較小，因此適用范圍更廣，可以滿足各種復雜的傳感場景需求。進一步地，制備了集成多區(qū)域針織應變傳感器的高彈性運動褲，通過電阻數(shù)值特征、步行周期劃分、多區(qū)域感測及機器學習等方式對人體跑步、走路、上、下臺階等步態(tài)運動進行了高準確度的識別，實現(xiàn)了應變傳感器感測的同時輸出對應運動狀態(tài)，構建了一種簡單的可穿戴運動動作/姿態(tài)識別系統(tǒng)，這為更全面、成熟的智能可穿戴設備和人體運動識別提供了極好的參考價值。對于籃球運動員，球衣球褲、籃球鞋、襪以及各種護具是平時的慣用穿著，因此未來的發(fā)展方向之一就是將針織物傳感器與上述各類籃球運動裝備集成，并不斷改善傳感器的滯后性和波動性等問題。此外，就目前來看，僅僅通過柔性應變傳感器無法完成身體全方位的監(jiān)測和捕捉，如果未來可以設計出各類柔性加速度傳感器并與柔性應變傳感器集成使用起來，相信在未來不久便會應用到動作捕捉系統(tǒng)中并廣泛地應用到籃球運動員技術動作的訓練指導中去。

2、柔性可穿戴指尖觸覺及手指彎曲傳感器用于投籃手型糾正

投籃是籃球運動中一項關鍵性技術，是最直接有效的得分手段。在一場籃球比賽中，隊員運用各種專門、合理的動作以及運用任何進攻戰(zhàn)術的最終目的都是為了創(chuàng)造更好、更多的投籃機會，并將球投進對方籃筐。在諸多的投籃姿勢中，最常用的是單手肩上投籃和雙手胸前投籃，但無論哪種投籃姿勢，都對身體姿勢和持球手法有一致的要求。通過研究調查發(fā)現(xiàn)，青少年籃球運動員在投籃訓練時普遍都存在著投籃動作不規(guī)范的問題，傳統(tǒng)的教學方式很難在有限的時間內達到理想的教學效果。那么，為了改善投籃動作不規(guī)范的問題并提高投籃命中率，需要對籃球運動員投籃時的身體姿勢和持球手法都進行實時地追蹤、監(jiān)測并反饋。

近些年來，用于指導糾正投籃動作的輔助器材和技術不斷地被提出，一些輔助器材比如投籃姿勢定型帶、ShotLoc投籃手型矯正器、腕力訓練手套等等，可以幫助運動員掌握正確的投籃手型，固定投籃動作，增強投籃動作的穩(wěn)定性，但它們都是非智能訓練產(chǎn)品，無法完成訓練監(jiān)測、反饋、追蹤等一系列行為，是較為僵化的訓練產(chǎn)品；虛擬仿真訓練模式及VR技術，能夠為運動員提供虛擬的訓練環(huán)境，可以解決硬件設施缺乏的問題，但其使用成本較高，使用者佩戴時間較久會有暈眩和頭痛等負面影響；利用第一部分內容提出的柔性可穿戴應變傳感器可以對運動員投籃時的身體姿態(tài)進行實時地、科學地監(jiān)測和捕捉，但如果想要獲取手部的一些具體的科學性數(shù)據(jù)，比如手指的發(fā)力程度及彎曲程度等，并對投籃手型進行更科學的糾正，將能夠和手指更好貼合的柔性可穿戴指尖壓力觸覺及彎曲傳感器應用起來是一種切實可行的解決方法。

聶寶清等人研發(fā)了一種基于微液滴的柔性指尖觸覺傳感器，該傳感器由三層柔性層組成，具有極好的機械柔韌性，同時通過引入高介電微滴使得靈敏度提升至2.72MHz N-1，并在0-1.56 N的周期性載荷下具有優(yōu)異的信號再現(xiàn)性。因此，將該傳感器粘附于運動員慣用手的五個手指上可以高精度地獲得各個手指尖與籃球之間的接觸力感應，并通過讀取數(shù)據(jù)進行比較以獲得投籃時手指的發(fā)力程度，從而對投籃手型進行科學精確的指正。黃文、李奕奕等人制備了一種具有表面微結構的PDMS為襯底的柔性石墨烯傳感器，該柔性傳感器對正向壓力變化同樣具有較高的靈敏度（GF-8-23，0.1%-0.25%應變），而且通過將導電石墨烯材料填充進具有微溝道的彈性 PDMS基底，該傳感器獲得了更大的拉伸范圍，因此不僅可以精確地獲得指尖對籃球的接觸力響應，還可以應用于對傳感器拉伸性要求較高的肘關節(jié)和膝關節(jié)的運動監(jiān)測。薛曉敏、張陵等人設計并制備了一種高靈敏度、大測量范圍和低閾值的三層離子皮膚手指關節(jié)角度傳感器。該傳感器由多個硅橡膠薄膜和高保水性的離子凝膠電極構成，因此具有柔軟、高度可拉伸的特性，而且三層介電層的設計也使得該傳感器的靈敏度是單層離子皮膚手指關節(jié)角度傳感器的3.5倍，并且該手指關節(jié)角度傳感器的電容變化量與關節(jié)角度具有良好的線性關系，可以監(jiān)測手指關節(jié)從展平狀態(tài)到完全彎曲狀態(tài)的各個角度，閾值在1°以下，因此該傳感器可以應用于監(jiān)測運動員投籃時慣用手的手指關節(jié)彎曲程度。上述的柔性指尖觸覺傳感器和柔性手指關節(jié)角度傳感器都具有柔軟輕薄的特點，不會影響手指關節(jié)的運動，而且制作簡單，易批量生產(chǎn)，如果未來可以將二者集成使用，市場上很大可能會出現(xiàn)可以對投籃動作進行實時監(jiān)測、反饋、追蹤的價格低廉的新型投籃訓練產(chǎn)品。

3、柔性可穿戴足底壓力傳感器用于足底壓力監(jiān)測和傷病預防

近些年來，嚴重影響籃球運動員職業(yè)生涯的重大傷病基本都發(fā)生在膝關節(jié)、腳踝部和足部，熟悉的比如科比布萊恩特、凱文杜蘭特、易建聯(lián)等明星都是遭遇跟腱斷裂，德里克羅斯、德文韋德、布蘭登羅伊等明星都是遭遇半月板撕裂等。造成這些重大傷病的原因無不與平時長期高強度、超負荷的上場比賽有關，由于動作不當或者外力的促使，長期累積造成了過度損傷；另一方面，籃球運動員進行訓練以及運動時的大多數(shù)動作都需要通過足部與地面相互作用達到維持、改變身體狀態(tài)的效果。因此，通過實時采集足底各部位的壓力參數(shù)變化并進行比較、研究，以獲取不同疲勞程度中運動員的足底壓力特征以及變化趨勢，可以達到長期監(jiān)控運動負荷并達到預防運動損傷的目的。

目前，常用的體量化的足底壓力測試板、測試臺等系統(tǒng)靈活性差、不能進行實時監(jiān)測，考慮到人體足部各骨骼和關節(jié)復雜的曲面以及實際運動中足部的扭轉、跳躍等動作的變化，選用的傳感器需要能夠與各部位都完美、靈活地貼合，同時要有足夠的柔韌性和高壓力靈敏度，以新型紡織材料為基礎的柔性壓力傳感器能夠兼容上述優(yōu)點，并與微型信號處理與無線傳輸模塊共同集成嵌入到球襪、鞋墊或球鞋中形成柔性可穿戴足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)可以達到實時采集和反饋人體步態(tài)信息的目的。

近些年來，很多復合導電材料已經(jīng)大量研發(fā)和應用，特別是由導電填料和聚合物基體材料組成導電高分子復合材料，不僅耦合了導電填料的導電性和聚合物基體材料的柔韌性，還具有成型工藝多樣化、可設計性強等優(yōu)點。在眾多的制備方法中，選擇性激光燒結（SLS）技術是一種新興的技術，其相比激光刻蝕法、犧牲模板法、浸涂法、絲網(wǎng)印刷法等傳統(tǒng)的制備方法，具有工藝簡單、快速、精度高，可用材料種類豐富，材料利用率高的優(yōu)點。不僅能夠増加孔壁上導電填料的接觸幾率，提高柔性壓力傳感器的靈敏度，還能快速恢復傳感器的彈性變形，提高快速響應能力，而且可個性化定制加工各種復雜的異形結構，滿足了靈活制備貼合人體足部的柔性壓力傳感器件的需求。因此，激光燒結技術可以成為大規(guī)模制備柔性足底壓力傳感器的最有效方法。Xiaoniu Yang教授團隊通過選擇性激光燒結技術制備了一種具有高靈敏度和寬線性范圍的電阻式柔性壓力傳感器，該傳感器主要由還原氧化物石墨烯 （rGO）涂層和柔性叉指電極（IDE）兩部分組成，由于獨特的粉末燒結工藝產(chǎn)生的不規(guī)則和多級微觀結構，傳感器在100 kPa的寬線性范圍內表現(xiàn)出 55 kPa-1的高靈敏度，并且在高壓范圍內保持良好的靈敏度(＞10 kPa-1)（100-400 kPa），這是柔性壓力傳感器的最佳結果之一，并對原地行走和奔跑狀態(tài)下前腳掌和后跟的壓力進行了監(jiān)測。莊煜等人研制了一種以碳納米管粉末為導電填料、熱塑性聚氨酯粉末為基體的激光燒結材料，制備了柔性壓力敏感元件，系統(tǒng)地研究了這種壓力敏感元件在外壓作用下電阻響應規(guī)律及其機理，進一步地，采用逆向工程技術并結合激光燒結工藝制備出一種貼合人體足部的一體化柔性壓力敏感鞋墊，并將其用于檢測了不同運動狀態(tài)時人體足底的壓力分布。上述研發(fā)的柔性足底壓力傳感器與籃球鞋、墊、襪等裝備集成起來時，進行足底壓力監(jiān)測時的效果可以達到最佳，目前這方面的研究較為成熟，未來可以考慮批量生產(chǎn)以及更多功能集成。

4、總結

隨著人工智能技術、柔性加工、集成微電子等技術的不斷進步，柔性可穿戴傳感器及其形成的完整的運動訓練監(jiān)測系統(tǒng)也必將逐漸成熟，其在多維籃球運動訓練方面已有功能的性能有待進一步改善和提高，更多新型功能也有待進一步開發(fā)和拓展。在競技職業(yè)化方面，必將職業(yè)籃球運動員不斷突破成績，在大眾化方面，幫助籃球愛好者建立合理的健康籃球運動計劃，為青少年運動員培養(yǎng)與選拔提供更精確的參考與指導，不斷加快建設體育強國。