冬奧中的“黑科技”加持

冬奧中的“黑科技”加持，自獲得舉辦權以來，國家相關部門便如火如荼地進行籌備工作，一項項“黑科技”正在或即將運用於我國冬季運動項目的訓練、比賽中，助力運動員在冰雪賽場上更快、更強。

冬奧中的“黑科技”加持1

“水立方”變“冰立方”

2008年夏季奧運會期間，國家游泳中心（水立方）成功舉辦了游泳、跳水和花樣游泳比賽。在這裏，游泳運動員打破了21項世界紀錄，水立方也成爲世界上“最快的游泳池”。作爲世界上第一個擁有智能化泳池轉換冰場技術的場館，“水立方”變身爲“冰立方”，將在北京冬奧會和冬殘奧會上承擔冰壺項目和輪椅冰壺項目的比賽。對“水立方”改造升級後，建立了冬夏場景轉換的運營模型。建築功能高度靈活；體育場地實現冰場/ 泳池之間智能化快速轉換；新增的空調、除溼系統和經過調試的氣流組織保障高品質的室內環境，降低對冰面的影響；羣智能控制提升了室內環境、設備自動化監控的能力。這些系統爲冬奧會賽時和賽後冬夏場景的智慧化可持續運營提供了完備的技術解決方案。

國家游泳中心冰壺賽道 圖源：本刊綜合.科技讓冬奧更精彩[J].發明與創新(大科技),2021(05):14-19.

那麼，大家最感興趣的問題應該是場館裏的水冰是如何實現轉換的？這個轉換不是直接把泳池裏的水凍成冰，而是涉及整個場館的複雜的系統工程，需要在場館的比賽大廳中部搭建可轉換結構，安裝可拆裝製冰系統。把游泳池的水放空、排幹，再把鋼結構支撐體系和混凝土面板安裝完成，鋪上製冰管道，製冰後將形成具有4條標準賽道的冰壺場地。中心運行期間將通過系統聯動實現溫度、溼度恆定，將冰壺場冰面溫度控制在零下3-5度，環境相對溼度小於35%，實現智能化管理。

鋼結構支撐體系 圖源：北晚新視覺網

混凝土面板 圖源：北晚新視覺網

“冰絲帶”引領冬奧“黑科技”

“冰絲帶”指的是2022年冬奧會北京賽區唯一的新建冰上競賽場館——國家速滑館，將在冬奧會期間承擔速度滑冰項目的比賽任務。如果說 “水立方” 是把柔軟的水設計成堅硬的方塊，“冰絲帶” 則是把堅硬的冰設計成柔軟的絲帶，這其中蘊含了中國人剛柔並濟的智慧， 一種隱藏於自然界的均衡。建築外曲面幕牆四周22條飄逸的 “絲帶”，既是幕牆的支撐結構，又將遮陽、立面照明和建築效果設計融爲一體，其代表着北京冬奧會將在2022年舉辦，又像是速度滑冰員在冰上風馳電掣劃過的痕跡，象徵着速度與激情。

“冰絲帶”外觀 圖源：北京日報客戶端

“冰絲帶”內部架構同樣令人震撼，其下部採用全冰面設計，冰面面積約爲12000平方米，是目前亞洲最大的冰面。同時，冰面採用分模塊控制單元，將冰面劃分爲若干區域，根據比賽項目分區域、分標準進行製冰。其採用的二氧化碳跨臨界直冷製冰技術，是全世界最大的採用二氧化碳跨臨界直冷製冰系統，也使其成爲全球首個採用該技術進行製冷的冬奧場館，通過對比賽場地內的空氣溫度、空氣溼度、冰面溫度、澆冰水的純度和溫度等進行精準控制，可實現世界上最快製冰。其中部設計爲緊湊的平面輪廓和空間體積，能夠回收約80%在製冰過程中產生的餘熱，並將這些餘熱充分用於運動員生活用水、融冰池融冰、冰面維護澆冰、除溼和採暖等方面，一年可節電約200萬千萬·時。其上部爲長跨198m、短跨124m的鋼索網編織的“天幕”，其中的低輻射膜能夠降低冰面的輻射負荷20%以上，實現節能長效運行。此外，屋面結合建築造型設置太陽能光伏發電系統，光伏裝機容量爲300kWp，相當於近200個家庭的年用電量。

“冰絲帶”內部全景 圖源：北京冬奧組委官網

冰磚城堡——國家體育館

有着“摺扇”之稱的國家體育館將在冬奧期間承擔男子冰球項目全部比賽、女子冰球部分賽事以及冬殘奧會冰橇冰球的部分賽事，爲了保證這些比賽的順利進行，自2018年起場館就開展升級改造工作。新建訓練館的外立面使用863塊具有凹凸質感的冰花圖案玻璃，在燈光的配合作用下，呈現出冰磚城堡的效果。

國家體育館改造升級後的鳥瞰圖 圖源：周忠發,朱忠義,周筍,李培,蔡春傑.國家體育館2022冬奧新建訓練館摩擦擺隔震設計[J].建築結構,2020,50(20):1-7.

爲了增加實用性，設計團隊在外層壓花玻璃幕牆內側增加了一層使用被稱作低輻玻璃的LOW-E鋼化玻璃製作的內幕牆，能大幅減少紫外線進入場館。整個雙幕牆極大的提高了場館的隔熱、保溫和隔音功能。由於新建訓練館主體採用鋼結構，其整體重量達到了2000噸，其中屋頂鋼結構就重達1500噸，爲了使16根勁性柱能夠托起1500噸重的屋頂，設計團隊在每根勁性柱頂端安裝摩擦擺支座，並在側面加裝一套電渦流阻尼器，極大增加了整體減震效果。整個摩擦擺支座在面對震動時，可以讓1500噸的屋頂在360度範圍內進15cm自由位移，能夠經受8級地震的考驗。

國家體育館冰面 圖源：澎湃新聞

國家體育館新建訓練館冰面共有結構底板、砂層、保溫層、保護層、防水層、精平層、滑動層、製冷管道層以及抗凍混凝土層等13層結構，爲了保證冰面的平整度，設計團隊引進瑞士激光攤鋪儀，配合激光測距等監測設備，對冰面結構層實行逐層校驗，將誤差控制在5mm以內。同時，爲了應對不同賽事對地面的承壓要求，冰面最上層的抗凍混凝土標號由常規C30提升至C40，提升了冰面承壓力10%以上。此外，國家體育館的冰面不僅能在8h內實現冰藍場地的轉換，還能同時滿足60×30和60×26的雙重國際冰面標準。尤其值得注意的是在進行冰藍場地轉換時，只需在冰面上直接攤鋪一層15~20mm左右的冰甲板，而無需等待冰面融化。項目團隊在結構施工時提前預留的兩種規格預埋件，可以隨時通過改變圍擋位置，對場地進行自由調節，以滿足不同賽事需求。

全新的冬奧火炬——“飛揚”

“飛揚”火炬集中了多領域的智慧和科技，呈現出較高的設計水平和具有中國特色的藝術形式。與以往冬奧火炬的金屬外殼不同，“飛揚”火炬的外殼由碳纖維及其複合材料製造而成，複合材料的特殊性質使“飛揚”火炬相比以往冬奧火炬輕了20%左右，同時具備高強度、耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦、耐紫外線輻射等特點，破解了火炬外殼在1000℃高溫製備過程中起泡、開裂等難題，採用的具有國際先進水平的三維立體編織成型技術使得火炬外形更加優美。

“飛揚”火炬 圖源：碳纖維專家破解冬奧火炬外殼諸多難題[J].紡織科學研究,2021(03):11.

而且，“飛揚”火炬創造性的使用氫作爲燃料，安全可靠性高，可抗10級大風，保證了火炬在極寒天氣中的順利使用。火炬燃燒時的碳排放爲“零”，環保性很強，實現了“綠色”理念與冬奧的結合。

冬奧中的“黑科技”加持2

競賽場上，0.01秒或者0.01米的優勢，就能決定冠軍的歸屬。身處金字塔尖的運動員，若想取得傲人的成績，自身的努力固然非常重要，科技創新力量的支持也不容忽視。在科技加持下，運動員不僅能提高其備戰訓練水平，更能在賽場上獲得事半功倍的效果。

從比賽裝備到科學訓練、技能優化，再到氣象、醫療等全方位保障……如今，一項項“黑科技”正在或即將運用於我國冬季運動項目的訓練、比賽中，助力運動員在冰雪賽場上更快、更強。

人工智能輔助系統給教練裝上“第三隻眼”

解決冬季訓練受環境時間限制難點

調整呼吸，飛速下滑，加速、起跳，在落差100多米山地自由飛翔，然後平穩落地……對於跳臺滑雪運動員來講，這一系列動作已然刻印於心。

滑行速度、起跳的時機與方向、手臂擺動的角度、自身的狀態等，都是影響其成績的重要因素。這就要求運動員具備精準的身體姿態控制能力。

由於各個動作的瞬時性，在傳統訓練過程中，爲了讓運動員每一個環節、每一個動作都達到“最優”，教練員的做法通常是用視頻記錄，然後回放分析。然而，受觀測距離、角度等方面影響，這一做法也有一定侷限性。“運動員在畫面中很小，很難發現諸如手臂擺動角度、膝踝距離差等方面的細微差別，而這些恰恰對於成績影響很大。”據有關研究人員介紹。

如今，在科技加持下，這一問題有了解決方案。

劉宇是上海體育學院科學研究院院長，也是國家重點研發計劃“科技冬奧”重點專項“冬季項目運動員技能優化關鍵技術研究”項目負責人。他帶領項目團隊開發適合雪上運動員運動效率和運動能力提升的神經—生物力學增強技術與干預模式，利用人工智能輔助系統捕捉運動員三維動作，實時採集起跳角度、速度、姿態控制、距離等數據，爲提升運動員訓練效果和參賽競技表現能力提供科技保障服務。

“有了最新突破！”8月18日，在接受記者採訪時，劉宇十分激動。他告訴記者，他的團隊即將奔赴河北淶源國家跳臺滑雪訓練科研基地交付新的研究成果。

如今，這一輔助系統有了“升級版”。根據使用方建議，項目團隊將在滑道側面的多個關鍵點位，如距離出發臺20米、40米、60米、80米、100米、落地區等架設實時高速視頻攝製系統，並基於單目相機的人工智能算法，實現對運動員上述關鍵位置的三維動作捕捉分析，同時通過自動控制的機器搖臂實現對運動員全過程及關鍵點位動作的記錄，並快速生成有關數據。有關視頻和生物力學數據可實時反饋給教練員和運動員，便於後續戰術動作分析等工作的進行。

與此同時，項目團隊還利用可穿戴傳感器技術，對運動員全程速度、加速度及其雪板進行空間位置精確跟蹤、測定，優化其動作控制。

這是過去用傳統的錄像方法很難快速獲取的信息。“跳臺滑雪選手的助滑速度、起跳角度、身體三維姿態等，過去只能依靠教練的經驗感覺和簡單視頻分析，現在能提供精準量化的快速反饋、技術診斷，提出改進方案。”劉宇說，這等於給了教練員“第三隻眼睛”。而使用方也表示，這位數字“教練”提供的數據對於診斷運動員各環節動作的短板、加快提高成績很有幫助。

不僅是跳臺滑雪，“冬季項目運動員技能優化關鍵技術研究”項目的關鍵技術成果目前已在多支冬季項目國家隊進行轉化與應用研究，爲運動員科學訓練、競技表現能力的提升尋求關鍵突破。

“在‘科技冬奧’重點專項中，科學訓練與比賽關鍵技術是一個重要領域。”科技部社會發展科技司二級巡視員王小龍告訴記者，圍繞運動員科學選材、運動員技能優化、體能訓練和訓練監控、科學化訓練基地建設等方面，已部署19個項目，目的就是要研發科學化訓練方法和裝備、建立智慧化比賽訓練場地、提高訓練效率和質量、提升運動員比賽水平。

目前，一批研究成果已轉化應用：高水平運動員動作優化分析系統提升自由式滑雪空中技巧等項目高難度動作表現，動作成功率提升約15%；國內首套人體高速彈射裝置，已經成爲速度滑冰國家隊開展彎道技術專項訓練的重要輔助手段，解決了冬季項目訓練受環境時間限制的難點。

自主研發的最佳姿態速滑服比海外採購的比賽服減阻超11%

東京奧運會上，81公斤級舉重冠軍呂小軍腳下暗藏高科技的金色戰靴，受到廣泛關注。

事實上，運動裝備是影響運動員成績的一個重要因素，這在冬奧會中體現更爲明顯。近年來，在競技場上，運動裝備的科技含量越來越高。

“競速類比賽中，0.01秒就可以決定一塊金牌的歸屬，這0.01秒的差距也許就來自服裝和裝備。”北京服裝學院主攻功能服裝研究的劉莉教授說。同時，她也是國家冬季運動服裝裝備研發中心的主任，“科技冬奧”重點專項“冬季運動與訓練比賽高性能服裝研發關鍵技術”項目的負責人。

該項目由北京服裝學院團隊牽頭，6所高校、4個企業聯合攻關，實現競速類項目服裝、防護材料及裝備、耐低溫保障材料和技巧類項目服裝四類產品創新。

8月19日，記者聯繫到劉莉時，她和團隊成員正在中國速滑隊訓練基地，準備給運動員試穿“戰袍”樣衣。

據介紹，速度滑冰等競速類比賽追求“快”，所以服裝要考慮風的阻力。“我們通過科學化的服裝結構和麪料設計，實現跨尺度協同減阻，有效降低阻力，幫助運動員提升賽場表現。”劉莉告訴記者，“快”正是他們解決的關鍵技術問題之一。

參考中國運動員體型特徵、訓練及比賽環境等，該項目組通過流體動力學仿真技術構建三維空氣動力模型，在全球範圍內篩選並自主研發減阻面料，設計減阻結構，進行風洞綜合驗證，爲運動員進行定製研發。他們根據不同項目的運動姿態、速度特點，製備高性能減阻面料，並在全球範圍內蒐集和測試150多種面料的基礎性能，應用於服裝減阻設計中。

通過實驗，項目團隊發現：並不是越光滑的表面風阻越小。“恰恰是一種有肌理的凹坑結構面料，產生的阻力是小的。”劉莉告訴記者，在身體不同部位，凹坑結構的形狀、大小、深度都是不同的.。同時，根據滑行姿態設計的“站不起來”的板型，不僅幫助運動員保持姿勢，也有效降低了阻力系數。

從項目階段性研發成果來看，與現役冬季項目比賽服相比，他們自主研發的多款比賽服具有更好的空氣動力性能。經風洞測試驗證，最佳姿態速滑服比海外採購的減阻超11%；新款短道速滑服最大減阻率超過10%；根據高山滑雪項目各小項速度差異較大的特點，細化有關比賽服設計，其最大減阻率超過9%。

在追求“快”的同時，“護”“暖”“美”也是科研人員攻關的核心技術問題。

冬季運動項目危險性極高，運動員損傷風險較大，比如衝撞、刺割等損傷。因此，無論是在訓練還是比賽過程中，都需要爲選手提供很好的保護。

最新研發的訓練和比賽裝備中暗藏了不少高科技。如高山滑雪訓練防護服中，採用了新型柱狀陣列式抗衝擊結構和新型吸能緩震材料，可以有效防護高山滑雪運動員穿越旗門時造成的抽打傷害。短道速滑比賽服則整體使用高彈防切割面料，全面保護運動員的身體，同時考慮肌肉壓縮、服裝減阻等功能。在保持彈性的基礎上，防切割性能提高了20%—30%。

“暖”也是冬季項目服裝的普遍需求。要讓所有冬季項目的訓練和比賽服裝都能暖和，科研人員想出了“兩條路”：一是提升纖維保暖率；二是使用主動加熱技術，把電能量轉化成熱量。被稱爲“堡壘”的綜合保暖系統應運而生，集防風、防水、透氣、耐磨多功能高效保暖於一體。

綜合保暖系統包含主動電加熱護臉、馬甲、外套、手套、襪子、坐墊等裝備，通過智能主動加熱技術，保障穿着人員在零下30℃環境下可持續作業8小時以上。

不僅如此，運動服裝的科研人員還研發出一系列高科技裝備，助運動員一臂之力。如通過雙滑輪腹內壓快速增壓技術和石墨烯傳導熱快速加熱技術，可快速增強腰椎穩定性、促進核心穩定肌功能恢復的特製腰帶；通過雙面立體點膠和結構化設計的專用運動襪，增強技巧類項目運動穩定性；爲運動員量身打造的膝關節運動護具等。

可以想見，在即將到來的北京冬奧會上，中國軍團的運動裝備將是“黑科技”滿滿。

首次實現複雜地形下“百米級、分鐘級”氣象預報

“科技+醫療”全程保駕護航

與夏季奧運會項目多在體育場館內舉行不同，冬奧會項目多在室外山地舉行。除了運動裝備、運動員自身水平外，溫度、溼度、風力、風向及雪質等自然條件的差異，將會直接影響賽程安排以及運動員的比賽成績、比賽安全。

據有關專家介紹，北京2022年冬奧會是近20年來唯一一次在大陸性冬季風主導氣候條件下舉辦的冬奧會。大風、低溫、低能見度、降雪等將是冬奧會和冬殘奧會面臨的主要天氣風險，複雜相態降水、沙塵天氣等也可能出現，加之項目不同、場地不同，對氣象條件的要求也不同，氣象保障可謂是面臨挑戰重重。

“科技冬奧”重點專項管理機構、中國21世紀議程管理中心副主任柯兵告訴記者，圍繞氣象條件預測保障，“科技冬奧”重點專項作了相應部署。我國自主研發的高精度天氣預報“睿圖—睿思”系統由此誕生，首次實現了複雜地形下“百米級、分鐘級”預報。

“也就是說，能夠實現複雜地形下100米分辨率、逐10分鐘快速更新的冬奧關鍵氣象要素預報。”據有關氣象專家介紹，氣象部門在北京城區、延慶和河北崇禮鋪設冬奧氣象綜合監測網絡，佈設了441套各類探測設施，大幅提升了複雜地形和下墊麪條件下溫度、溼度、風場等要素預報的準確率，有助於爲提前24小時的精細氣象決策提供支持。

這套高精度天氣預報系統在今年2月、4月的“相約北京”測試活動期間接受了檢驗。根據氣象服務團隊提供的天氣預報，14項賽事的官方訓練或比賽進行了賽程調整。

不僅如此，張家口賽區還用上了激光測風雷達。據介紹，雪上賽道地理環境複雜、風場複雜多變，運動員在高速下滑的過程中，極易受到賽道突變的縱風及橫風影響。因此，對賽道縱風及橫風的實時監測與危險預警，可爲賽事管理人員、運動員及教練員提供輔助決策依據，對冬奧會滑雪比賽的順利進行、運動員的正常發揮等具有重要意義。

與此同時，在世界頂級運動員激烈比拼背後，還有“科技+醫療”的全程保駕護航。

冬奧運動項目大多難度大、危險性高，比如高山滑雪滑降比賽，運動員從高山上往下滑，時速要在10秒內從靜止增加到130公里，鋼架雪車的最高時速能達到135公里。在這種情況下比賽，運動員稍有不慎就可能發生意外。國際奧委會一項數據顯示，冬奧雪上項目運動員的受傷概率基本上在10%—14%。

一旦發生意外，如何讓運動員可以在第一時間得到快速有效的救治甚至返場，是冬奧會服務保障中的重要一環。

“從雲頂滑雪場到崇禮院區，直升機轉運只需4分鐘；從雪車雪橇賽場到延慶創傷中心，智能救護車由原來的30分鐘縮短至15分鐘，直升機轉運也只需4分鐘……這些從賽場到保障醫院的急救轉運能力是對賽事醫療救護水平的切實需求。”“科技冬奧”重點專項“冬奧會運動創傷防治和臨牀診療安全保障技術體系的建立與應用研究”項目負責人、北京大學第三醫院教授崔國慶表示，特別是轉院流程的簡化與優化，使崇禮院區及延慶院區與北醫三院做到創傷中心聯動、信息共享，運動員綠色通道得以建立。

該項目還設置“冬季運動損傷數據庫、AI影像輔助診斷技術及遠程會診中心的建設與應用”課題，就是希望實現標準數據的收集、分析與整合，建立完善的智能影像輔助診斷技術，實現診療全流程智能化輔助判斷。

這些“黑科技”“生”於冬奧，卻不止於冬奧。未來，這些都將變成寶貴的“奧運遺產”，應用到更多場景，惠及更多人。