科技助力奥运——新科技与挑战

王开元，刘 宇

1 前言

如今国与国之间的竞争已经成为科技上的角力，竞技体育同样如此。谁能领先一步占领体育科技的制高点，谁就有更多机会拔得头筹。回顾竞技体育的历史，科技创新推动着运动装备上的巨大变革，例如：撑杆跳中撑杆所用复合材料的发展、克莱普冰刀的发明、“鲨鱼皮”材质泳衣的应用，哪一项技术创新不曾大幅刷新该项运动的世界纪录？这些体育器材上的革新，有些成为新的“标准”被保留下来，有些则成为了历史，毕竟体育竞技倡导的是人与人之间运动竞技能力的比拼。

然而科技在竞技体育上的应用并不局限于运动装备上，在训练科学发展了几十年之后，各个国家在运动员选材和训练上的差距已经越来越小，而通过新兴体育科技则可能使运动员变得更快、更强、恢复更迅速、心理状态更稳定。原本许多只能在实验室环境内实现的技术已经被应用在竞技场上，正在悄悄改变着赛场格局以及场上参赛运动员的竞争优势和潜能。诸如此类的运动能力增强技术正受到越来越广泛的关注。

2 大脑训练或神经启动技术

在这些运动能力增强技术中，尤其是大脑训练，也被称为神经启动技术，可以增强大脑与肌肉的连接，提高运动员在体育运动中肌肉协调的效率。事实上，这是“经颅直流电刺激”技术在运动能力增强上的应用。经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一种无创的脑刺激技术，它使用微弱的直流电，通过电极贴片作用于头颅和大脑皮层，以此来调节特定脑区的兴奋性。该技术在实验室环境下用于动物和人体实验有近50年的历史。此前已有大量实验表明，对于有认知障碍的病人（如脑卒中病人），使用tDCS技术有助其认知及运动能力的康复。

图1 Nature近年来多次关注神经启动技术及其应用 （Bourzac，2016；Reardon，2016a）Figure 1. Nature Brought Neuropriming Technology and Its Applications Into Focus in Recent Years

早在2001年，tDCS技术应用于运动训练的潜在可能性就已经引起了科学家的兴趣。德国的Nitsche团队发现，经5～30 min的tDCS阳极刺激后，大脑运动皮层的兴奋性提高了约150%，并且该兴奋性的提高持续时间长达90 min（Nitsche et al.，2001）。Banissy等在回顾了一系列相关研究后总结道，如果刺激实施得当，tDCS将有助于提高运动学习能力或者训练的有效性（Banissy et al.，2013）。

针对此前研究多集中于单关节肌肉力量的局限性，Angius团队围绕tDCS是否会影响自行车骑行耐力做了研究，该研究发现，经过10 min，2 mA强度的tDCS阳极刺激后，受试者骑行自行车至力竭的时间（time till exhaustion，TTE）显著增加，同时自觉疲劳程度（rating of perceived exertion，RPE）显著下降（图2）（Angius et al.，2016）。无独有偶，美国滑雪与雪板协会（USSA）于2016年率先开始尝试将tDCS技术运用于冬奥选手的训练中，以加速提高这些运动员的专项技能（Reardon，2016b），标志着该项技术的应用开始从实验室走向竞技场。2017年，Nature上“Smarter，not harder”一文引起了广泛关注，文中指出，大脑训练是运动训练的未来，并且报道了美国职业橄榄球运动员在使用“神经启动（neuropriming）”训练辅助装置Halo Sport耳机进行训练后，原地弹跳高度提高了18 cm（Hornyak，2017），而Halo Sport耳机正是使用了tDCS技术从而达到运动能力增强的效果。

图2 10 min 2 mA的tDCS刺激后，自行车骑行至力竭的时间显著增加，自觉疲劳程度显著下降 （Angius et al.，2016）Figure 2. After 10 min Anodal tDCS Stimulation at 2 mA Intensity，the TTE Increased Significantly while the RPE Decreased

上海体育学院的刘宇团队也正在开展关于tDCS技术及其在提升运动表现中的应用的相关研究（卞秀玲 等，2018），且针对中国运动员的训练需求，进行设计、开发和研制了基于tDCS技术的智能可穿戴训练设备，并已申请国家发明专利2项。刘宇团队前期的预实验发现，强度为2 mA的tDCS阳极刺激20 min后即刻，大脑运动皮层的兴奋性提高为基准值的190%，刺激后30 min时，大脑运动皮层的兴奋性仍维持在基准值的150%。这一结果与国外类似研究一致（ Nitsche et al.，2000，2001，2008）。在肯定了tDCS的积极效果之后，刘宇团队将进一步关注刺激方案的优化，例如刺激的形式、强度、时长，电极贴片的放置位置等，以期在实际运动训练中获得更佳的增强效果。

3 神经肌肉系统功能监测与增强技术

除tDCS技术外，还有大量其他体育科技正在转变角色，从研究试验阶段走向实战。例如：测力台在运动训练监控和评价方面的应用、正电子发射计算机断层扫描（positron emission computed tomography，PET）成像技术、高速双平面荧光透视系统以及血流限制训练技术等。

人体的运动是以肌肉为动力来源、以关节为支点、以骨骼为杠杆，向外界施加力的过程，因此了解和研究运动中的力与反作用力，对优化运动表现具有非常实际的意义。测力台是运动科学家研究生物力学问题不可或缺的“标配”工具，如今已经越来越频繁地出现在训练第一线。借助测力台，教练员可以快速了解运动员的下肢运动能力和特征，例如：通过使用反向跳来测量运动员下肢的力速曲线（Jiménez-Reyes et al.，2014），据此发现其专项能力上的短板，对症下药给予最佳的运动处方；通过使用安全可靠的等长大腿中段拉测试方案（isometric mid-thigh pull，IMTP）代替受伤风险较大的1 RM测试（De Witt et al.，2018），监控运动员下肢的最大等长收缩力量及发力率（图3）（Comfort et al.，2018；Kawamori et al.，2006；Khamoui et al.，2011），以跟踪和确认训练效果；通过在训练前进行纵跳测试，教练员可以了解运动员的神经肌肉疲劳状态（Kennedy et al.，2018），从而及时调整训练量和恢复方案。测力台虽不是新鲜事物，但一直以来多用于科学研究，使用较繁琐、数据量较大、分析较复杂，往往无法满足训练场上简单高效、可靠快捷的使用要求。近年来随着测试方案的成熟，原本需要人工参与的计算已由软件代为自动计算，教练员只需指导运动员完成测试，即刻便可获得测试结果，节省了大量时间。使用测力台后，教练员可从多个维度对运动员的训练水平和状态进行量化评估，在训练规划上更加有据可循、有的放矢。

图3 由等长大腿中段拉测试测得的下肢最大等长收缩力量 （B点） 及发力率 （AB两点连线的斜率） （Khamoui et al.，2011）Figure 3. The Maximum Isometric Strength (point B) and the Rate of Force Development (the slope of line A-B) of the Lower Limbs Evaluated by IMTP Test Protocol

鉴于全身运动的复杂性，想要深入了解人体运动时的肌肉激活模式实属不易，而这些信息对于教练员和运动员开展针对性的训练大有助益。在过去，运动科学家通常使用表面肌电（surface electromyography，sEMG）来监测肌肉的激活和运动，但在实际的训练中仍有不少局限性，如表面肌电信号微弱，且易受外界噪音干扰；数据处理量较大，且处理过程较为复杂；表面肌电设备一定程度上干扰和影响运动员的自由运动等。近年来发展起来的正电子断层扫描（PET）3D成像技术为分析复杂人体运动中肌肉激活和工作模式提供了新的可能性。挪威体院的Bojsen-Møller团队利用PET 3D成像技术对越野滑雪双杖推撑（double poling）动作在不同运动强度下的肌肉使用情况开展了研究（图4）（Bojsen-Møller et al.，2010）。之前大家的共识是：上肢肌群是越野滑雪双杖推撑中的主要工作肌群。Bojsen-Møller团队的研究确认了这一结论，但同时他们通过PET成像技术观察到，随着运动强度的增大，核心肌群、伸髋和伸膝肌群的贡献度也随之增加。这些信息可以帮助教练员和运动员更好地理解该如何优化不同技术动作的执行，并为提升训练准备和竞赛表现提供了切实可靠的依据。

许多技巧型运动，如跳台滑雪、单板U型槽等，在训练和比赛中都需要做出大量落地动作，且落地动作的质量关乎最终成绩，这就对下肢运动的研究提出了更高的要求。除了常规的生物力学研究手段之外，一种名为“高速双平面荧光透视系统”的高新技术为关节运动的量化分析和诊断提供了极大便利。高速双平面荧光透视系统是一种利用X光还原关节三维运动的实时成像技术，类似“X光拍摄的3D电影”（图5）。上海体育学院的高速双平面荧光透视系统乃国内首创，并且在国际上仅存在几套同类型系统，分别位于布朗大学、匹兹堡大学、杜克大学和利物浦大学。该系统设备简单，操作方便，具有高效、高精度和无创等优点，是关节运动研究和量化分析以及关节临床科研的国际领先方案。目前上海体育学院的刘宇和王少白团队正围绕该系统开展一系列相关研究，以期为运动员提供更多科技保障。

高效的训练不仅需要量化的训练监控和评价，更需要新方法。血流限制训练技术正是一种神经肌肉训练的新方法：在加压限制或短时间断性阻断静脉血流量的情况下，以较小的运动强度就能促进蛋白合成、刺激肌肉生长和改善肌肉功能（徐飞 等，2013）。一般认为，低强度（＜70% 1 RM）的抗阻训练无法为肌肉的力量提高和肥大提供足够大的刺激（Medicine，2009），但是采用低强度抗阻训练的同时结合血流限制技术，获得的训练效果却可比肩传统高强度（≥70% 1 RM）抗阻训练（图6）（Loenneke et al.，2012；Lowery et al.，2014）。因此，血流限制技术可能在运动员训练和损伤后康复中的应用拥有一席之地。数字化自动加压血流限制训练装备的出现，使得该技术在训练场上的应用变得简单快捷，教练员只需使用手机或平板电脑设置好加压压力，穿戴在运动员身上的加压带便会自动工作，精确加压至预设压力值，最大程度上确保了血流限制技术实施的安全性、精确性和有效性。

图4 使用PET 3D成像技术监控越野滑雪中肌肉的使用情况 （Bojsen-Møller et al.，2010）Figure 4. Evaluating the Use of the Muscles in Cross-country Double Poling with PET 3D Imaging Technology

图5 高速双平面荧光透视系统成像示意图Figure 5. The Fluoroscopy Imaging Technology

图6 对肱二头肌采用低强度血流限制训练带来的肌肥大效果与高强度力量训练相似 （Lowery et al.，2014）Figure 6. The Effect of Low-intensity Blood Flow Restricted Training on Biceps Muscle Hypertrophy is Comparable to the High-intensity Training

4 新科技的试验场：商业模式运作下的运动科学实验室

科技创新带来的新兴训练工具和方法层出不穷，许多最新的体育科技装备和训练方法出现在训练团队中，不断丰富着教练员的训练“工具箱”，同时教练员也正以更开放的态度拥抱先进的体育科技，以期达到事半功倍的效果。每个项目都能从运动科学中获益，即便是同样的科学技术，以不同的方式加以应用，可能会获得不同的效果。事实上，如何将诸多体育新科技优化组合使用，以发挥其最大效用也是目前许多运动科学家和教练员所高度关注的问题。由于涉及多学科多领域，要做到这一点往往需要集体智慧和科技集成（Roelands et al.，2019）。在这方面，美国的运动科学实验室（sports science lab，SSL）已先行一步，积累了许多宝贵经验。

虽然冠以“实验室”之名，但SSL运动科学实验室实为一家商业公司，这个由1名哥伦比亚大学兼职教授领导，多位运动医学专家、运动训练专家、生物力学专家和物理治疗师领衔的团队，以运动员为中心，在各自的专业领域使用最先进的运动科学技术监测和量化运动员之间的细微差异，以优化运动员的运动表现为目标，相互紧密合作和沟通，形成一个高效的“闭环”，为运动员及其教练提供了一站式、一体化的科技保障服务。无论年龄、身体类型或运动水平，每一名运动员都能达到其个人最理想的运动水平。

SSL运动科学实验室团队使用最先进的技术评估运动员能力的方方面面，从单一肌肉的运动模式到特定运动和反应时。这些分析结果用来查找失衡或弱点环节，并发展个性化方案以使运动能力达到最优，确保运动员在受伤后较快地返回赛场并预防进一步损伤。通过找到运动员各方面能力中被忽视的关键信息，把一名中等水平的运动员变成一名优秀的运动员。更重要的是，这些方法可以帮助运动员在出现更严重的过劳损伤之前，发现肢体和肌肉失衡现象，因此可能延长运动员的职业生涯，改变其未来10年乃至更久的运动成绩曲线。目前，排名前列的医院、人类运动能力实验室、专业组织如MLB（美国职业棒球大联盟）、NFL（美国职业橄榄球大联盟）、MLS（美国职业足球大联盟）、NBA（美国男子职业篮球联赛）、UFC（终极格斗冠军赛）和美国奥林匹克训练中心正在使用SSL运动科学实验室所提供的一系列技术。

像SSL运动科学实验室这样的体育科技服务公司出现的重要意义在于，运动科学及体育科技不再与运动训练本身所割裂。身体评估和生物力学分析并不仅仅为了获取分析结果，分析数据和评估结果会顺着服务的“链条”传递到下一个环节，运动科学家会以这些结果为依据，决定使用何种具有针对性的运动科技进行必要的优化，同时这些优化手段会告知运动员及其教练团队，再由专业的训练学专家提供相应的训练建议。这个“链条”的终点是运动员，SSL运动科学实验室所做的一切，最终都服务于运动员，目标是使其运动能力最大化、运动伤害风险最小化。

在美国，除了SSL运动科学实验室以外，还有MJP（迈克尔约翰逊训练中心）和EXOS（其前身为Athletes’Performance）等公司也在提供类似的体育科技服务，他们在长期的实践中都形成了一套行之有效的方法。不同的公司其服务侧重点可能不同，但他们的理念是高度一致的，即以运动员为中心，运用一系列运动科学和体育科技来最大化其运动表现、最小化其受伤风险。

这样的运作方式，不仅解决了体育科技保障与运动员训练之间各自为政的割裂矛盾，更是通过实践将原本看似独立和不相干的体育科技有机结合到了一起，为运动员及教练团队提供了个性化的解决方案。在体育科学日益成为多学科交叉应用的今天，跨界合作也为我们提供了一条全新的思路。在这方面，德国奥迪汽车风洞实验室堪称典范。

图7 SSL运动科学实验室系统整合各种体育科技为运动员提供全方位科技保障服务 （NYSSL，2017）Figure 7. Sports Science Lab Offers Athletes with Fully Integrated Sports Technologies and Services

在汽车研发过程中，研究如何通过优化外形和表面材质来降低风阻和风噪、提高车身稳定性是不可或缺的工作。而在许多竞速型运动项目中，如何通过减阻来提高运动效率，优化运动表现，同样也是运动员和教练员迫切想要解决的问题。例如：在自行车运动中，约90%的阻力来自空气阻力（Grappe et al.，1997）。在2006年都灵冬奥会的超级大回转项目中，男子和女子第四名分别仅以0.1 s和0.03 s之差与领奖台失之交臂（Brownlie et al.，2010），可谓胜负尽在千钧一发之际，也很好地解释了为何优化运动姿势和装备的空气动力学性能会引起教练员和运动员如此广泛的关注。

汽车研发和运动减阻两者同为解决一个现实场景中的应用问题。奥迪汽车公司丰富的研发经验为这种跨界合作奠定了扎实的技术基础。这座位于奥迪汽车德国总部的风洞中心，已经服务了大量从事高山滑雪、跳台滑雪、帆船运动等项目的专业运动员（图8）。同时，奥迪风洞中心也是德国跳台滑雪国家队的赞助商和技术保障合作伙伴，长期为运动员提供器材测试、比赛模拟等服务，极大地增强了运动员在场上的竞争力。如此，运动员和教练员团队无需负担高昂的风洞建设费用，也无需进行前期的基础流体力学研究，以奥迪风洞实验室现有的技术框架快速制定测试方案，并对结果进行分析和优化，有助于在最短时间内以最小代价精准地解决现实问题。而对奥迪公司而言则减少了风洞设施的闲置，并且尽到了企业的社会责任，可谓是一场双赢的合作。

图8 德国高山滑雪运动员Manuel Schmid奥迪风洞实验室测试图 （AUDI，2016）Figure 8. German Alpine Skier Manuel Schmid being Tested in Audi Wind Tunnel

5 日本模式

上面介绍的皆是欧美国家的成功经验，而我们的近邻日本－2020年奥运会的东道主，又是如何利用运动科学和体育科技来撬动竞技运动表现提升的呢？

日本体育科学研究所（Japan Institute of Sports Sciences，JISS），是受日本运动委员会下属日本高水平运动中心管辖的科研机构，共有3个部门组成：1）运动研究部，是运动科学与研究的行政管理部门；2）运动科学部，下设3个高水平运动支持部门，是JISS负责科研的主要执行部门；3）医学中心，负责运动临床、运动员康复，同时也是运动医学服务的行政管理部门。此外，日本高水平运动中心还下设：高水平运动策略部，负责提供规划策略保障；运动创新部，分管创新的计划制定和推进；另外国家训练中心，也属于日本高水平运动中心管理。

5.1 训科医无缝整合的竞技体育生态

JISS虽不像上文介绍的美国SSL运动科学实验室那样以商业公司的形式运作，但也非常类似。称之为“独立行政法人”，由国家预算出资，整个组织构架进行公司化管理，设有董事会和监事，定期召开会议，其下设首席执行官，由各领域的专家领衔担任总监职务。其主要执行科研任务的运动科学部共有4名总监，其中2人为运动生物力学专家，1人为运动生理学专家，1人为体能专家。运动医学中心有5名总监，其中3人为骨外科专家，2人为内科专家。中心内其他研究人员和工作人员为聘用制，主要由各大学运动科学学院的博士组成。

日本体育科学研究所和日本国家训练中心，两家机构相互独立，但在地理位置上毗邻（图9），且在日常运作中也是相辅相成，相互配合。前者与日本奥委会、各运动协会、各大学及各运动研究组织紧密合作，是为高水平运动员和教练员在运动科学与运动医学方面提供支持和保障服务的中心。而后者则是日本顶尖运动员的训练基地。这样设置的优势是使两家既可以各司其职，分别专注做好体育科研和运动场馆设施服务，又能最大程度上无缝整合，达到训科医一体化，从而提高日本运动员的国际竞争力。

图9 毗邻的日本体育科学研究所和日本国家训练中心Figure 9. The Japanese Institute of Sports Sciences Facilities Neighbor the National Training Center

JISS并不仅仅是科研机构，而是一个完整的竞技体育生态，满足顶尖运动员的一切需求。其建筑内有比赛标准泳池、带水下动作分析观察室的花样游泳池，此外还有人类运动表现实验室、运动生物力学实验室、运动营养和运动心理实验室，高水平运动体育馆、体能训练房和低氧训练室（图10）等，可供运动员训练使用。国家训练中心则设有室内训练中心、田径场、游泳馆等设施，另有运动员村和运动员食堂。

图10 JISS的低氧训练室 （JISS，2018b）Figure 10. The JISS Hypoxic Training Room.

JISS和国家训练中心定位明确，其口号是“我们所做一切皆服务于顶级运动员”，其任务为帮助顶尖运动员提高竞技表现和成绩，从而在诸如奥运会、世锦赛、世界杯等国际性体育赛事上取得好成绩。

5.2 高科技硬件设施应有尽有

整个JISS和国家训练中心都是围绕提升竞技运动能力这个目标而设计和运转的，因此在先进科研设施和高科技应用上的投入相当可观，反映了日本在提高竞技体育水平上可谓不遗余力。JISS内有用于自行车和滑雪研究的大型高速跑台（图11）、带测力装置和动作捕捉摄像头的数字化跑道、20多台Vicon三维红外高速运动捕捉系统，以及多个用于赛艇和皮划艇研究的大型水槽，另有两台功能性MRI核磁共振系统及超低温康复室。国家训练中心的训练场馆内也安装有数据采集仪器，可实时记录运动员的训练状况。运动员村的房间则可根据需求设置为低氧环境，方便运动员进行高住低练。

图11 日本越野滑雪运动员大型跑台测试图 （JISS，2018a）Figure 11. The Japanese Cross-country Skier being Tested on the Treadmill

令人印象深刻的是，在JISS的副楼内建有一个专门用于运动研究的低速风洞实验室（图12），容积为2.5×3×8 m，能产生时速126 km/h的最大风速，主要用于自行车、高山滑雪、跳台滑雪、速度滑冰等各类竞速运动及相关运动器材和服装的空气动力学研究（图13）。在JISS内担任空气动力学科研保障工作的山边芳博士已发表多篇研究，涉及自行车运动中编队骑行的空气动力学特征（Shirasaki et al.，2017）、跳台滑雪飞行期中身体姿态与空气阻力的关系等（Akashi et al.，2016，Yamanobe et al.，2016），科研训练紧密对接可见一斑。

图12 JISS风洞结构侧视图 （国家体育总局体育科学研究所，2018）Figure 12. The Side View of the JISS Wind Tunnel

图13 日本跳台滑雪运动员渡部善斗JISS风洞模拟训练图（JISS，2016）Figure 13. Japanese Ski-jumper Yoshito Watabe Training the Flight Phase of Ski-jumping in the JISS Wind Tunnel

5.3 软件并重讲求细节

不仅拥有先进的硬件设施，JISS在软件上也有独到之处，自建一套“SMART-system”技战术分析大数据系统，聘请和培训专人收集各类比赛中的视频影像资料，并进行剪辑、编辑、分析、整理、归档等工作，依托先进大数据为教练员和运动员提供详尽的技战术分析保障服务，是谓“知己知彼，百战不殆”，充分体现了现代化信息技术在顶级竞技运动中的重要价值。

在差之毫厘、失之千里的竞技体育中，细节决定成败。JISS的营养指导食堂在保障运动员“吃”的方面下足了功夫，它的主要作用是在运动员训练后，根据其运动专项的营养需求特点专门按需补充相应营养物质，做到运动营养的精准化管理。营养指导食堂每年配备约4 000 种营养食物（不同季节品种不同），每种食物都标记了各自的营养成分。科研人员专门研发了一种能够自动识别餐饮搭配的系统，运动员取餐后通过摄像头对所选食物进行拍摄，后台系统自动分析所取食物的种类，并给出相应的营养成分数据（图14），为运动员科学饮食提供参考（国家体育总局体育科学研究所，2018），真正将运动营养的科学研究成果落实到运动员身上，为运动员的营养补充、疲劳恢复和运动水平提高提供了切实保障。

图14 JISS营养指导食堂运动员餐营养素量化图 （JISS，2017）Figure 14. Nutrients-quantified Meals in JISS Athletes’Restaurant.

6 结语

重视体育科学的发展和体育科技的应用，已成为竞技体育界的共识。然而，从上述的案例中我们不难发现，对运动科学和体育科技，需要回答的不仅仅是一个“有没有”的问题，更是一个“如何用好”的问题。对此，国际上较多选择商业化、市场化、公司化运作的方式，多学科专业相互交叉配合，甚至进行跨界合作，发挥各自的主观能动性，以切实解决运动员和教练员团队实际问题和提高运动表现。运动科学和体育科技服务在商业化和市场化后所迸发出的巨大活力和能量，形成一个良性的闭合循环，最终使得其中每一个环节的价值都得到体现和放大。这样的思路和模式，在我们建设体育强国的道路上，值得思考、借鉴和探索。要实现科技助力奥运，必先将先进体育科技落实到运动员和教练员身上，即以运动员和教练员的需求为核心，以先进技术为工具，做好服务，想运动员所想，急运动员所急。在现有举国体制的大框架下，若能积极调动社会资源，发挥出市场和商业的活力和主观能动性，或许可使体育科技保障服务工作进一步精细化，同时更具服务精神，拉近体育科研与运动员之间距离，最终无缝对接，实现科技助力奥运的目标。