北京冬奥会“科技8问”

杜涉

在全球疫情防控常态化的背景下，“防疫”是冬奥会主办方工作的重中之重。

新型冠状病毒（简称新冠病毒）的传播途径主要为直接传播、气溶胶传播和接触传播。气溶胶传播是指飞沫混合在空气中形成气溶胶，吸入后导致感染，气溶胶的传播距离较远，能达到数十米至数百米，远远超过飞沫的传播距离。

为了防止新冠病毒通过气溶胶传播，冬奥会期间，接待各国运动员代表队的酒店、比赛场所均安装了气溶胶新冠病毒监测系统。该系统通过生物气溶胶采样器可采集空气中的新冠病毒颗粒，并将病毒颗粒放入核酸分析仪，从而实现自动核酸提取、检测，并出具检测报告。仅需30分钟，就可完成采集和新冠病毒高灵敏检测。气溶胶新冠病毒监测系统启动后，将全面监控场馆、酒店的空气中是否含有新冠病毒。

除了病毒监控系统，比赛场馆内的空调中还安装了病原体空气消杀系统，布设消毒机器人，利用无人化手段实现冬奥场馆、酒店的自动消杀。除了传统的消毒方式，还有分子筛微纳米催化过滤材料消毒、紫外线消毒、等离子消毒等措施，将分别应用于循环冷却水和水处理系统的消毒、空气的消毒以及物体表面的消毒。

冬奥会延庆赛区场馆的厨师、冷链物流人员、保安等接触人员较多的重点监测人群将采用一种新型测温技术——智能测温贴。该智能测温贴是全球尺寸最小、测温最精准的医疗级可穿戴式连续测温设备。智能测温贴通过前端智能体温计搭配相关管理系统，可开展远程、实时、全域性体温检测，能精准、快速锁定体温异常人群，提升管理效率，保障疫情防控工作。

2.运动员的服装能自加热，还能用手机调控温度？

运动员长期处于低温环境中，不仅影响运动能力，还可能造成冻伤。张家口崇礼区曾出现气温低至-40℃的极端天气，许多坚持训练的运动员出现了不同程度的冻伤。“科技冬奥”课题组的科研人员进行调研攻关，一套被称为“堡垒”的综合保暖系统应运而生。穿上自加热服装，在气温-30℃的环境下可持续作业8小时以上，有效减少运动员在比赛候场及训练时的热量损耗，让运动员的训练不再因天气而受到影响。

根据加热方式的不同，加热服装可以分为电加热服装、太阳能加热服装、化学能加热服装、相变材料加热服装和温度自适应加热服装等。不过，无论是利用太阳光蓄热材料吸收太阳辐射，还是通过化学反应产生热量或相变材料储能来进行保暖，都存在适用范围小、温度不可控等缺陷。科研人员为冬奥会运动员提供的自加热装备采用了电加热技术。课题组在保暖手套和保暖面罩中集成了电加热片，通过控制器将其与锂电池连接。例如，手套所配备的锂电池容量为3300毫安，重量大约100克，充电一次，可以持续加热近5小时。电池体积小、质量轻，可放入手套和面罩的电池袋中，即便运动员进行高速、剧烈的运动，也不会影响穿戴的舒适性。

自发热服装最具挑战性的技术难点是研发电加热片的材料。在基于碳纸的柔性加热织物、基于导电纱线的刺绣加热织物和基于镀银纱线的一体成型加热服装等方面，课题组均实现了技术突破。例如，基于碳纸的柔性加热织物是将厚度仅50微米的导电碳纸封装到两片织物间，可以提高加热织物的强度和耐水洗性，通过调节碳纸的形状和连接方式，可以实现不同功率密度的加热织物。一般来说，加热织物的功率密度越大，其加热能力越强，升温速率越快，能更好地调节服装内部温度。

科研人员还为加热织物配置了加热控温模块和温度控制应用程序（App），这种加热织物可集成到服装中，同时支持手动按键控制与App智能控制。运动员可通过手机App或手动按键控制随意调节加热服装的温度，以便适应气温、体温的变化。

竞技比赛中，往往失之毫厘，差之千里，百分之一秒的差距就能决定比赛勝负。与夏季奥运会相比，很多冬奥会的比赛项目速度更快。比如，男子500米速度滑冰的世界纪录为34.03秒，约合52.89千米每小时；男子100米短跑的世界纪录为9.58秒，约合37.58千米每小时。对速度更快的比赛项目而言，比赛服装影响更大。让冬奥会“战衣”在“提速”上更上一层楼，科研团队煞费苦心。

冬奥会“战衣”的研发团队为了更好地实现“量体裁衣，减阻提速”的目标，采用了人体数字采集等新技术，通过传感器跟踪运动员的运动过程，捕捉其运动信息，将追踪到的三维曲面生成时装版型。利用“服装三维立体版型数字化采集装置”“体扫描姿态稳定辅助装置”等最新专利技术，可自动生成服装版型的设计，满足比赛中高速运动的需要。

速度滑冰运动员一般穿着紧身连体运动装，服装表面看似光滑，其实采用了一种有肌理的凹坑结构面料，能有效减小阻力。研发团队在全球范围内搜集和测试了150多种面料的基础性能，但未能找到最满意的面料。最终研发团队自主设计减阻结构，研发出最新减阻面料。每件运动服都是根据运动员的身材量身定制，不仅贴合中国运动员体型，还会根据其技战术特点进行最终设计。研发团队还利用流体动力学仿真技术，构建三维空气动力模型，进行风洞综合验证。与现役冬季项目比赛服相比，新款速度滑冰比赛服减阻率超过10%，逐步实现“最佳姿态+适度压缩+最佳减阻结构”。

在短道速滑比赛中，竞争非常激烈，运动员在碰撞中摔倒、被冰刀划伤的事故并不鲜见。此次冬奥会短道速滑比赛服装除了具备肌肉压缩、减阻等功能，还采用了新型高弹防切割面料。研发团队运用国内专利技术，让服装材料由单向防切割升级为双向防切割，不仅弹性极佳，而且防切割性能提高近30%。在高弹防切割比赛服的防护下，运动员可以在比赛中更加自信，全力以赴创造更好的成绩。

在高山滑雪比赛中，运动员的速度可达130千米每小时，即使无风也如在大风中穿行。在高速运动中，运动员还要完成高难度的转弯、穿越旗门等动作，肩、大腿、肋部的软组织极易受伤，所以要求服装具备较好的防护功能。研发团队采用新型柱状阵列式抗冲击结构和新型吸能缓震材料，研发出垫片、护片、背夹等护具，以减少运动员穿越旗门时抽打的痛感以及意外造成的身体伤害。

在高山滑雪比赛项目中，当天气温、风速等天气和自然环境变化会对运动员的比赛成绩造成影响。根据规定，正式比赛之前每支队伍只有一天时间在赛道上测试。时间太短，运动员难以快速熟悉比赛场地，很难在陌生环境中发挥出最高水平。

科研团队为了解决这一问题，通过“机器人技术+虚拟现实技术+物联网技术+人工智能技术”，将虚拟现实（VR）滑雪体验系统与动态环境参数监测系统融为一体。戴上眼镜，拿起手柄，双眼紧盯屏幕，双臂快速摆动……就可进入滑雪体验系统。画面中的自然景观及耳边的风雪音效，令人仿佛瞬间置身于真实的滑雪场地。该系统可实时采集滑雪赛场的自然环境数据，并将数据输入滑雪体验系统，建立信息多源实时采集与显示系统，利用VR重建滑雪场景信息并显示出来。运动员可利用该系统提前进行仿真训练，体验滑雪场地的地理风貌，体验赛道状况，改善临场发挥水平。教练团队可以利用该系统纠正运动员的训练动作，提高训练效率。

该系统还可用于春、夏、秋季运动员的滑雪训练及滑雪爱好者的室内仿真滑雪体验。对滑雪感兴趣的初学者可利用该系统体验高山滑雪、自由式滑雪等滑雪项目。针对亚健康者、残障人士以及老年人，研发团队还研制了可穿戴外骨骼机器装置，为容易出现肌肉疲劳或者进行长时间体验的滑雪爱好者提供帮助。

冰球是同场集体性球类项目中对抗最激烈的比赛项目，攻防之间经常转换，运动员要在几分钟内完成超负荷的激烈对抗，在对抗中受伤时有发生。在如此激烈的比赛过程中，现场仅配备医生和急救箱远远不够。

北京冬奥会的冰球场馆内配备了一辆特殊的大型厢式货车，它就是“科技冬奥”的专项项目成果——冬奥会冻伤及颌面创伤移动式智能化诊疗平台（简称“智能诊疗车”）。“智能诊疗车”由诊室和CT室两部分组成，配备CT机、冻伤面部数据采集系统、心电监护仪、血液分析仪、智能心肺复苏仪、便携式呼吸机等设备，确保受伤人员能得到迅速、高效的医疗护理和紧急处置。“智能诊疗车”内安装了网络平台接口及人工智能软件，能够有效提高冻伤及颌面创伤现场诊疗的效率，实现科学快速的现场诊治流程，同时可高效完成与医院的信息对接，让转诊过程畅通无阻。

比赛中，冰球运动员受到的损伤以颌面创伤为主。出现颌面创伤的运动员往往伴随气道的损伤，此时便携式呼吸机就会派上用场。这种呼吸机虽然小巧，但性能上接近重症监护病房的呼吸机，可避免受伤者因缺氧造成机体损伤。当运动员出现皮肤破损等外伤时，“智能诊疗车”的血液分析仪可以完成血常规生化和血气分析的检测，确认运动员受伤后身体的变化。

CT有一定辐射性，如何减少辐射对医护人员和伤员的伤害呢？原来，“智能诊疗车”中的设备是锥形束CT，它更轻便，辐射强度更低，车内墙体也安装了防辐射设施。在CT满负荷运转情况下，不仅车外的人员是安全的，车内的人员只要在CT室门外也是安全的。

为了保证医疗信息快速传递，比赛现场的医护人员都要佩戴一个远程的诊疗记录仪，记录仪中有一张5G信号卡。医护人员在入场救援时，可以通过该设备实时记录诊疗过程的图像和声音。这些诊疗信息通过5G网络传递到中控台，中控台的值守人员收到比赛现场医生对伤员的诊断信息后，会第一时间联系专家库成员，同时“智能诊疗车”会根据诊断信息尽快做好救治准备。

对于运动员来说，未感到疲劳的训练对提高比赛成绩是无效的，但是长时间、高负荷训练产生的疲劳积累又可能带来伤病，同时也会影响训练效果。为了破解训练中的“疲劳困局”，冬奥会科技研发团队设计制造了冬季项目运动员疲劳快速消除系统（简称疲劳快速消除系统）。

从外部看，疲劳快速消除系统是一个白色圆形舱，舱体线条柔和，高度接近普通成年人身高，要想进入舱内，必须弯腰低头。舱内有一把长椅，还有迷你桌板和监测仪器。系统由微压补氧设备和经颅脉冲电刺激仪组成，舱内气压是1.3个标准大气压，能促进血液循环，人体吸收氧气量随之增加，可帮助运动员缩短恢复时间，提升疲劳恢复效果，提高运动成绩。经颅脉冲电刺激仪可刺激脑部神经、外周神经及肌肉，有利于改善运动员的大脑及神经系统状态。

经过高强度训练或比赛之后，在疲劳快速消除系统的帮助下，筋疲力尽的运动员只需50分钟就可以恢复体力，精神状态也能回到运动前的水平。

张家口冬奥会场馆区域海拔约2千米，是此次冬奥会三个赛区中海拔最高的区域。在每年二三月份，张家口高海拔地区最低温度可能降至-30℃以下。在高山、低温、冰冻、大风的极端环境下如何保障网络畅通？如何保障5G移动网络不减速？

冬奥会通信技术团队根据当地环境为冬奥会相关区域提供了专门通信，加强移动网络建设。张家口奥林匹克村所在的太子城区域实现3G/4G/5G网络完整覆盖。在5G网络上采用3.5G宽频技术，下载速率可达1.7Gbps，是国内通信网络中最快的下载速度。

在覆盖高速5G网络的比赛场馆中，多维度观赛体验和VR直播技術便可大展拳脚。例如，在北京五棵松体育中心，60个采用5G+8K技术的相机呈180度吊装在竞赛场馆内环形屏的下方，比赛开始后，便可对赛事进行全面拍摄。现场观众只需扫描二维码，下载应用程序，就可以体验180度自由视角观赛和沉浸式直播，实时观看自主选择的比赛瞬间。

过去大家观看的体育赛事直播画面，是由导播人员在转播车上对多路摄像机拍摄的画面合成的一路信号，画面由导播主导，观赛人员无法自主选择“看什么”。多维度观赛体验和VR直播技术则可让观众通过手机、VR头盔等设备实现自由视角和VR直播观看，实现用户自主交互式观赛体验，改变固定视角和被动式观赛的传统直播方式。该技术首次通过三维重建和渲染技术，实现了用户交互式、连续自由视点视频生成与传输，观众看得更清晰、更真实，能身临其境地感受比赛。后续还将加入人物跟踪技术，观众可以选择心仪的运动员，跟踪该运动员的画面，一饱眼福。

在一些新闻节目中，画面上会出现一位手语播报员为听障人士服务，很好地满足了听障人士获取新闻信息的需求。不过，在所有视频节目中都安排手语播报员，显然成本过高，无法实现。在此次冬奥会上，新闻播报员的身边会出现一个手语播报数字人。手语播报数字人可根据收听到的语音，自动实时生成手语手势，帮助听障人士轻松了解新闻信息。手语播报数字人为什么能听懂新闻呢？原来，科研人员采用了目前最先进的人工智能技术。手语播报数字人以“悟道2.0”超大规模预训练模型为底层核心技术，可实现智能化的手语生成，达到信息无障碍效果，让听障人士也能轻松、高效地获取比赛信息，体验冬奥会的精彩。

一只长得像狗，却有六条腿的机器人，可能是此次冬奥会上最“萌”的机器人。当“六腿小狗”第一次出现在冬奥科技展馆中时，很多好奇的小朋友都兴奋地趴在地上与它交流、玩耍。其实，憨厚可爱的“六腿小狗”并非玩具机器人，它在冬奥会上将肩负重任。“六腿小狗”的大名是导盲六足机器人，是针对视障人士参与赛事活动的导盲需求而研发的机器人，可为冬奥会和冬残奥会赛事活动中的视障人士提供引导。导盲六足机器人可通过语音、操控设备输入等方式获取目的地信息，通过精确导航定位进行路径规划，利用视觉和力觉融合进行行走稳定控制，引导视障人士顺利出行。