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装备未来式之“人机一体化”

2019年02月18日 来源:《三月风》2019年第2期

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季林红

清华大学智能与生物机械实验分室主任,“冬残奥运动员运动表现提升的关键技术”研究项目负责人。在竞技体育学术研究和奥运、残奥科研方面具有丰富经验,为国家队提供包括体能、技能等训练技术和装备研制的科研支撑。

文_《三月风》实习记者 吴漫

17年前,中国队第一次参加的2002年盐城湖冬残奥会,参赛运动员只有4名,比赛项目也仅有高山滑雪和越野滑雪两项。自那时起,中国冬残奥从零开始,以赛代练,至今历经5届磨炼。

从盐城湖、都灵、温哥华、索契,再到2018年的平昌,中国代表团率26名运动员参加5个大项、30个小项的比赛,堪称历届最“豪华”阵容。轮椅冰壶队员陈建新的致胜一击为中国队摘得首金,实现了中国冬残奥历史上金牌零的突破。

随着平昌奥运会落下帷幕,冬奥会正式进入“北京周期”,备战2022年冬残奥会被提上日程。2018年11月26日,“冬残奥运动员运动表现提升的关键技术”项目在中国残疾人体育运动管理中心启动,我成了项目负责人。

这是国家第一次将残奥体育列入科研项目,足见其重视程度。作为“科技冬奥”的重点专项之一,也是唯一一个残奥会科技专项,课题覆盖了越野滑雪、冬季两项、单板滑雪、高山滑雪、轮椅冰壶、雪橇冰球6个大项,主要聚焦于冬残奥会比赛项目的技术提升。这次会议扣响了冬残奥科研项目启动的发令枪,“科技冬残奥”长跑之战正式开始。

大家知道,残疾运动员借助辅助装备代偿自己丧失的身体功能,才能正常运动、参与竞技,一旦离开运动装备,那就意味着失去竞争力。有着“刀锋战士”美称的南非残疾运动员奥斯卡·皮斯托瑞斯,戴上有储能骨骼的运动假肢,能跑得比健全运动员还快。高科技智能装备为竞技体育插上“翅膀”,也为残疾人迎接冬残奥带来更多的可能性。

然而在我们前期调研中,我国残疾运动员现阶段使用的器械装备还只是“普配”,高科技装备少之又少,更别提个体差异化的“适配”。

目前冬残奥官方6大项目中,可参赛的运动员分为肢体残疾和视力残疾两个类别,上肢截肢、大腿截肢、脊柱损伤、下肢截肢的运动员都有。运动员个体功能缺失的情况不同,则会直接导致训练方法、专项动作以及辅助器械的显著不同。换句话说,相比健全运动员,每个残疾运动员所使用的装备器械都更需要精细化、更富有针对性。

我国运动员配运动假肢的少,多使用生活假肢,接受腔与肢体残端的连接并不是很好,很多人都是在习惯磨损中训练;目前使用的滑雪架强度还需增强,重量要减轻;滑雪器的弹簧偏硬,减震效果差,震动冲击可能会影响脊柱;座舱的贴合不好,保暖效果也得增强……在之前的调研中,国家队运动员训练中存在的问题和需求,给我们进行运动装备的优化与迭代划出了捷径。

残疾人运动装备的背后,其实是一套完整的科学体系。既要解决器械适配问题,还要兼顾运动防护、防寒保暖等问题。

平昌残奥会冠军陈建新,因高位截瘫需要插着尿管训练。由于双腿没有知觉,训练时双脚常常冻伤。拿下平昌冬残奥会女子回转(坐姿)第6名、创下中国高山滑雪项目历史最好成绩的刘思彤,也承受着训练的种种风险。右侧大腿截肢的她,携带着装备和雪车近80公斤的重量,摔倒是家常便饭。

诸如此类的“二次损伤”,在多数残疾运动员的日常训练中并不少见,更是不可轻视。以前都是我们的运动员习惯装备,现在得让装备去适配运动员。在假肢、矫形器以及滑雪器等装备设计与研制上,把辅助器械的特性与人的能力有效融合是我们努力的方向。

人和人毕竟不一样,器械和人的能力之间的匹配,我们称之为人机一体化。能不能把器械变成人的一部分,是未来项目研究的核心。装备做到什么程度才算好,取决于人和器械之间的适配与交互。穿戴舒适性是一个方面,但更主要的是符合项目特征、符合竞技规律。

我们的运动员使用的假肢、滑雪器以及座舱等,大多来自国外。因为经济水平和运动爱好等原因,国内运动装备市场的需求相对较小。一些企业大概也没那个能力,或是做完之后效益不太好,因此做的也就比较少。在这样的现实处境之下,自主研制和创新我国的冰雪运动装备,填补残疾人专业运动装备的空白显得极为迫切,也恰逢其时。

如今我们既知道了怎么设计,肯定要自己做一些事情,在新的科学假设基础之上,参照和学习别人的经验,然后进行创新优化。一直依赖别人不行,要算大账,早晚我们会有自己的装备器械。


冬季残疾人奥林匹克运动会官方项目

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雪地胎轮椅

和普通生活轮椅的主要区别,在于使用的是雪地胎。因为胎体较宽,胎纹较深,在雪地上可以增大摩擦力。轮椅的踏板可以根据使用者的喜好更换成单板或双板。

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冰橇

残奥冰球的装备——冰橇,是一种由钢、铝、钛和镁等材料制作,并由车架、足跟支撑、前滑轨、足蹬、并道和座位共同构建的专用装备,为那些下肢损伤的运动员提供最完美的保护。

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冬季两项气步枪

冬季两项比赛项目中使用到的气步枪。冬奥会比赛项目中有卧射、立射两种设计姿势,而冬残奥会项目中统一为卧射。

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滑雪运动假肢

由合金材质制成,里面分别装有负责支撑的液压缸和负责摆动的气压缸,运动员在雪上高速移动时,假肢跟随每个使用者的差异,自动调整出最合适的反馈感,还可以防水和抗低温。

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越野坐式滑雪器

底部有一个连接器,用以连接滑雪板。所有的部分,需要根据运动员的身材定制,如固定的坐宽、坐深、靠背高度等,还要根据其运动习惯,调整座椅高低。定制以后,几乎不能再更改。

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冰壶推杆

与健全人冰壶运动员使用的刷子不同,残疾人运动员使用2米左右的推杆将冰壶推出。由于运动员是坐在轮椅上掷壶,因此推杆顶部有一个用来固定冰壶的支架。

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越野滑雪

此项目参赛运动员为肢体残疾和视力残疾的运动员。根据功能损伤不同,运动员可以采用站姿滑雪,也可以采用坐姿滑雪,视力残疾的运动员与一名视力正常的引导员一起参加比赛。男女运动员采用传统式或自由式技术在短距离、中距离和长距离进行比赛或参加团队接力。

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单板滑雪

单板滑雪项目在人造雪道上进行比赛,雪道设置多种障碍,考验运动员跳跃、翻转等技巧。运动员比赛时只可使用一个雪板。每个运动员有三次比赛机会,选取最好的两次成绩相加作为总成绩,总用时少者名次列前。

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冰橇冰球

参加此项运动的均是下肢残疾的运动员。比赛时,双方上场队员各6人,比赛分三局进行,每局15分钟,中间休息15分钟,进一球得1分,得分多者为胜。运动员们用冰橇代替冰鞋,以球杆较尖的一端推行冰橇,以像船桨的一端击打冰球。

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轮椅冰壶

比赛采用和健全人同样的规则,差别仅在于轮椅冰壶比赛没有刷冰,且掷壶者必须在固定的轮椅上掷壶,除了可以用手掷壶外,还可以用投掷杆挂住壶的上方来掷壶。比赛为混合冰壶赛,每支队伍必须有1名女运动员。

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冬季两项

此项目总比赛距离在6~15km之间,每圈2.0~2.5km,采用自由式技术滑雪3或5圈。其间,运动员必须击中10米远的射击靶,脱靶将被惩罚增加总的路线时间。视力残疾的运动员通过声音信号辅助,依靠信号强度,确定射击的时机。

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高山滑雪

高山滑雪比赛项目分为速度类和技术类两种。速度类分滑降、超级大回转和全能项目,技术系列则分为大回转和回转项目。男女运动员需要同时掌握速度和敏捷度来完成比赛,下坡时速度可达100公里/小时左右。

编辑_张西蒙 吴漫(实习)

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