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科普！北京冬奥会的背后，那些高校的科技力量～

admin
百班千人
2023-03-22 10:06

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北京冬奥会短道速滑

混合团体2000米接力决赛

中国队夺冠！

短道速滑队获得

中国队北京冬奥首金！

中国短道速滑队捍卫王者之师！

激动！！自豪！！

赛场之上

运动员的精彩表现来自刻苦训练

也离不开科研人员的技术支持

科技助力冬奥，北航人奋勇当先

北航柯鹏副教授率领团队

为短道速滑等冰雪项目的科学训练

做出系列贡献！

2021年1月19日，习近平总书记在北京市海淀区首都体育馆听取科技助力冬奥备战的汇报工作

柯鹏曾两次作为科研人员代表

向习近平总书记

汇报科学助力冰雪运动的情况

2022年1月4日，习近平总书记在北京市二七厂冰雪项目训练基地考察调研。右一为柯鹏，他汇报了三维姿态分析，热力图和冰面参数等方面的科研进展。

在航空航天人眼中

冰雪运动不单单是体育活动

雪板、冰刀在冰雪场上

滑行、滞空、触地的每一瞬间

都被实时解构又建构为航空航天数学模型

依托航空航天飞行器的研究成果

柯鹏带领团队开展攻关

致力寻找冰雪运动的最佳滑行路线

最佳滑行姿势和最优体能分配方案

让运动员在冰上“飞”起来

速滑能量模型和减阻优化

针对短道速滑和速度滑冰的个人比赛项目的减阻节能和提高成绩，柯鹏团队充分考虑运动员的个性化生理特征、装备特征和环境特征，包括体形、骨骼肌肉、生理生化等，建立数字运动员模型。

团队开展运动过程参数的实测和同步分析，建立滑冰运动过程中运动员能量输出与节能减阻分析模型，有效评估各项滑行技术的影响，确定最佳参数组合，包括滑行路线、滑行节奏和滑行时间；蹬地动作、蹬地速度、蹬地方向；人体姿态、转弯控制与平衡等，深入分析与挖掘现有的比赛和测试数据；为训练方案的调整提供切实依据，为冲牌运动员精雕技术动作提供精准服务。

柯鹏团队借鉴航空航天飞行器的路线优化算法，找到了冰雪运动的最佳滑行路线。而哪种滑行姿态阻力最小，能实现最快速度，团队借助航空航天领域的人机环境研究建立模型，捕捉运动员的滑行姿势，身体高度，摆臂蹬腿的角度，分析运动员的肌肉能耗，找到了冰雪运动的最佳滑行姿势和最优体能分配方案。

??点击视频观看央视专题报道

而今，为了冬奥会，我国的高校发挥出越来越强大的科技力量。

清华大学

保暖科技助你不畏寒

冬奥会期间，无论是工作人员还是现场观众，冬季室外低温都是个大麻烦，而且大风还让体感温度更低，甚至有冻伤的风险。那么，如何解决这个难题呢？在极寒条件下如何温暖观赛？

这件看似普通的黑色马甲，其实是一件智能加热服。

配上手机App的模式选择，就能对人体重要部位进行补热。同样，黑色坐垫打开开关也能短时间内迅速发热、锁热。

这就是清华大学曹彬团队专门开发的极寒环境下的“热保障”

清华美院

三大赛区火炬台设计

2022年2月4日晚，2022北京冬奥会主火炬在国家体育场举办的开幕式上正式亮相。三个场外火炬台，分别位于国家体育场（奥林匹克中心区）、北京市延庆区和河北省张家口市。火炬台分别由“银丝带”、橄榄枝大雪花图形、底座转台组成，总高约11米，底座台面直径约20米,奥林匹克中心区火炬台底座台面下部增加了一个1.3米高，外直径21.5米的不锈钢裙边底座。

国家体育场（奥林匹克中心区）火炬台

橄榄枝大雪花由 90余片小雪花组成，一片雪花代表一个参赛国，上面镶嵌着参赛国的名称。“银丝带”两侧开灯槽，内置灯带，灯光面板用不锈钢板雪花纹造型做盖板，白天呈现整体不锈钢镜面效果。橄榄枝正反面开灯槽，内置灯带，面板用不锈钢板雪花纹造型做盖板，白天呈现整体不锈钢镜面效果，夜晚正反两侧灯带发光。三个火炬台在奥运会举办期间将不间断运行，并将在冬奥会、冬残奥会结束后成为国家体育场（奥林匹克中心区）、北京市延庆区和河北省张家口市三地的永久性雕塑。

清华大学美术学院党委书记、教授马赛介绍，“银丝带”造型完美诠释了本届冬奥会的理念，其紧紧萦绕着象征世界各国携手走向未来与和平的橄榄枝，在不同角度下呈现高低起伏变化的形态，是对冬奥会众多赛事项目速度、激情、节奏、跃动等特征的抽象表达，通过灯光不同的颜色、角度的运动轨迹，结合流光溢彩的转动，让观众既能欣赏到轻舞飞扬的姿态，又能感受到冰雪运动的速度、激情和圣洁的冰雪之美。

日光下8K抛光工艺呈现

火炬台的造型在开幕式主火炬的基础上增加了环绕的“银丝带”以及镜面底盘，起到支撑、稳定的作用，将开幕式上的大雪花以中轴固定的方式予以呈现，“银丝带”造型完美诠释了冬奥会的理念，紧紧萦绕着象征世界各国携手走向未来的由小雪花和橄榄枝组成的大雪花。随着底盘的旋转，它在不同角度下呈现出高低起伏的形态，是对冬奥会众多赛事项目速度、激情、节奏、跃动以及群山等自然形态的抽象表达，通过镜面的映射以及流动的灯光，让观赏者在火炬台的旋转中既能感受到“燕山雪花大如席”的意境和“银丝带”轻舞飞扬的姿态，又能感受到冰雪运动的速度、激情、优雅与纯洁。

为了兼顾火炬夜间的动态效果，团队在“银丝带”、橄榄枝和底座转台上均随形设置了灯带，并在灯带外层添加镂空的小雪花格栅以修正光强效果。整体灯光效果以橄榄枝为核心，“银丝带”、底盘灯光与之配合，营造出冬奥运动强烈的速度感、节奏感和冰雪的圣洁感。

灯带细节

受燃气、材料、加工工艺以及力学结构等工程技术的制约，设计方案进行了多轮修改，为了降低反复调整带来的不确定性与不可解释性，团队采用参数化设计，从“银丝带”基础主干曲线阶数的控制，到每一个控制点的坐标调整，支撑结构件的数据化生成，再到每一个小雪花位置的排布，都有数值可依。并且每一次调整、修正的数据都被完整记录，通过数值的优化迭代，使火炬台既满足工程的要求，又能达到设计的艺术性要求。

通过动力学模拟进行形态探索

通过动力学模拟优化造型

通过添加截面进行空间构型

由于场外火炬台必须与开幕式上的主火炬形象一致，基于燃气等现实条件的影响，学院设计团队与航天团队合作，对火炬台的橄榄枝形态以及小雪花的排布结构进行了修改，充分体现了艺术美学和结构工程相辅相成的关系。张艺谋导演提出以代表每个参赛国的小雪花与四周橄榄枝拼合成大雪花的构想，但是由于参赛国的数量一开始无法确定，小雪花如何排布？如何与橄榄枝进行连接？如何保证强度又能减小风阻？这些都是在深化设计时团队遇到的极具挑战性的问题。团队在推敲橄榄枝艺术造型的同时，还需要考虑其结构的强度与迎风面积等问题，通过有限元分析以及拓扑优化等方式提出了多个结构上较为合理的创意图案，并针对这些图案进行计算分析得出可能采用的材质、整个火炬的重量以及结构的合理分布。最终，再结合多项仿真模拟实验数据，决定发挥小雪花六边形的特点，采取蜂窝状的稳定结构，无需任何外部结构介入，实现了艺术造型与工程结构的完美融合。

雪花蜂窝状结构：左边是导演设想的结构，右边是经过团队设计后的蜂窝状结构

团队在设计和深化过程中，始终坚持贯彻“简约、精彩与安全”的理念，在确保安全的前提下，各部分造型在满足实际结构强度需求的同时兼顾了美学的表达，在艺术与科学相结合的创新路径下，整个装置的研制过程充分体现了清华大学美术学院在学科交叉方面的优势，也充分彰显了习近平总书记所说的“美术、艺术、科学、技术相辅相成、相互促进”的特点。

北京理工大学
“精确到肌肉”的智能训练管理系统

单板滑雪大跳台是一项极具观赏性的冰雪项目，运动员做各种动作时肌肉怎样发力。起跳的时机怎样把握，只能靠教练员的经验和运动员的自身感觉和揣摩。如今，北京理工大学开发的具有完全自主知识产权的冬季项目智能训练管理系统。

在现场就可以实时科学分析，帮助教练和运动员更加精准地找到不足，通过有针对性的训练提高成绩。

通过多组高速摄像机，以及拥有近百个传感器的超薄压力鞋垫等一系列“黑科技”。运动员的三维姿态参数、运动过程中所产生的地面反作用力、空气阻力等数据就会实时显示在监测屏幕上。

这些数据再经过分析处理就可以形成该运动员的动力学数据库，为后续的运动生物力学分析及训练方案的制订提供精准的科学支持。

北京交通大学
冬奥“驭风人”

风阻是竞速运动的敌人。赛场上，胜败就在毫厘之间，减阻也成为各参赛队的“兵家必争之地”。北京交通大学土建学院风洞实验室中有一群“与风为伴”的科研工作者，他们了解风、分析风、利用风，助力体育健儿在赛场上取得成功，李波教授和他的团队就是这样的“驭风人”。

在国内，专业的风洞实验应用到体育领域，在很长一段时间都处于技术空白。李波团队了解需求后多次出国考察学习，不断进行科研攻关，最终研发了我国第一套风洞辅助训练系统，协助国家体育总局建设了先进专业的体育专业风洞。

参加东京奥运会的游泳、竞走、马拉松等多支中国代表队都曾接受过风洞实验。科研人员在实验室中模拟高速运动的状态，通过传感器监测和分析运动员在不同姿态、不同队列形态下所受到的空气阻力，并最终生成实验报告，为各支队伍制定训练计划，提升运动成绩提供技术支持。

北京交通大学经管学院副教授李静三年攻关，组建了一个跨学科研究团队，聚焦应用5G、物联网、大数据和人工智能技术，力图找到解决2022年北京冬奥会应急医学，保障场景下的事件分析和时效救治问题的最佳方案。

北京交通大学经管学院副教授李静

一数一据，千数万据。他们用最踏实、最保险的办法构建起一套智能诊疗体，包括智能伤病情预测和风险评分、智能伤病情判断以及智能线上群体监测三大功能模块。

可以实现危重伤病情的早发现、早诊断、早治疗，可以针对“场馆坍塌”“踩踏”“火灾”等冬奥赛事中18种主要应急医学保障场景。通过计算建模，科学确定关键伤情提高医护人员对于，危重伤病员的综合管理能力。

东北师范大学

“冰雪项目实验室”助力科学训练

在长春市郊的一处滑雪场上，东北师范大学体育学院的科研团队正在近零下20℃的环境下进行实验。

2015年，在北京成功申办冬奥会之际，东北师范大学体育学院冰雪项目实验室正式成立，已为包括国家速度滑冰、短道速滑高山滑雪等十余支队伍提供科学化训练的科研保障与科技支撑，为全国1000多名运动员提供体质评定、技能评估、技术分析、体能康复等服务。

通过发挥冰雪运动科学一级学科博士点、冰雪项目实验室等方面的科技优势，帮助2022年北京冬奥会运动员科学训练，加快冰雪运动的普及推广。

用火箭外壳技术
制造滑雪头盔？

为助力“科技冬奥”，大连理工大学科研团队自主研发的一款高性能滑雪头引来不少网友点赞：堪称“黑科技、高颜值”！

据了解，这款滑雪头盔运用了航天薄壁结构设计科技，技术则来源于程耿东院士指导、王博教授牵头的科研团队十几年的研究积累。

此前，他们曾利用这项技术，为我国体积最大的大火箭——长征五号运载火箭“胖五”，成功减重1145公斤。

在这款头盔的设计研发中，科研团队运用了曲线加筋变刚度的设计技术，大幅提升了头盔的抗冲击变形能力，为运动员提供更高的安全防护级别。

同时，头盔的材料也有所创新。在保持冲击韧度的同时将刚度提高了4倍，拉伸强度提高了3倍，大幅提升了头盔的抗冲击吸能效率，对运动员形成更好的保护。

这款头盔还充分考虑到亚洲人的头型特征。团队采集了大量国家队运动员的头型数据，并研发了设计软件，实现了运动员头盔的定制化，有效改善了长时间佩戴的舒适性。

据介绍，这款头盔重量只有700g左右，在不大幅增加厚度和重量的前提下，防护性能比欧洲标准至少提升了20%。

目前，这款头盔已顺利通过欧洲滑雪头盔安全标准测试，为冬奥会滑雪相关项目、国家队训练提供安全保障，助力中国健儿夺金。

东莞理工学院参与研制的个性化定制雪车头盔将应用于冬奥国家队项目训练与比赛，助力中国代表团取得理想成绩。

玩冰壶机器人也在行

冰壶被称为冰场上的国际象棋，是体能和智能结合度极高的一项体育竞技运动，近些年受到越来越多人的喜爱。但你见过机器人打冰壶吗？它和人类比赛又有什么不同？快来哈尔滨的冰场上一探究竟。

自动夹取、释放冰壶、准确击中目标，工作人员在为冰壶机器人做着最后的调试工作。这台冰壶机器人将在北京冬奥会亮相，不仅在冰壶比赛期间进行表演，还将在群众体验场与观众进行互动。

从2019年起，哈尔滨工业大学计算学部就联合黑龙江省体科所哈尔滨体育学院等体育专业队伍，组成20多人的研发团队，构思和设计一款能够与人协作，共同完成冰壶比赛的机器人，实现人工智能赋能冰雪体育。

未来，研发团队还将进一步研制面向大众体育的冰壶机器人系统，通过远程操作完成冰壶游戏，并与其他机器人协同竞技，有效提升冰壶运动的观赏性和娱乐性，帮助更多人了解冰壶、喜爱冰壶。

用创新展示中国科技

用科技讲述中国故事

除了那些高校师生外，还有部分高校的校友企业也参与了冬奥会的相关工作。

冬奥会开幕式，由张艺谋担任总导演，王志鸥担任视效总监，率先展现了一个科技强国先进的技术力量，本次开幕式的播控系统由中科大校友企业澜景科技旗下的Hirender全媒体总控系统，其联合创始人为中科大9806校友李栋。

开幕式演出现场

开幕式演出过程中，地屏、冰瀑布、冰立方、鸟巢南北屏使用利亚德光电集团的LED屏幕作为显示终端。其中地面屏幕长155米，宽75.5米，总面积达11626平方米。冰瀑区域高57米，宽20米。仅地屏分辨率就达到了14880x7248，总分辨率超过了16K，这种应用规模前所未有。

澜景科技旗下Hirender全媒体总控系统肩负使命，从2021年10月起，四个月紧张的排练，澜景技术团队枕戈待旦，开幕式当晚顶住重压惊鸿一现，为全世界观众呈现出最完美的视觉效果。

始终怀揣着一份情怀，打造中国人自己的领先于国际的播控系统，为了这个目标，澜景科技研发团队不断打磨产品、技术工程师专注钻研技术，致力于打破国外在播控技术上的垄断局面，在大型活动中实现技术的自主可控，持续提升国产品牌竞争力，为的就是有一天，澜景科技可以作为中国多媒体领域的新名片，引领中国的播控技术走向世界。当奥运五环在舞台上方亮起的那一刻，也照亮了我们心中的新图景。