今年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)上，蘇炳添以9秒83的百米亞洲紀(jì)錄締造者的身份，進(jìn)入了人們的視線。
“蘇神”的名號(hào)，一時(shí)傳遍了大江南北。
其實(shí)，除了奧運(yùn)會(huì)百米運(yùn)動(dòng)員之外，蘇炳添還有另外兩個(gè)身份：暨南大學(xué)體育學(xué)院副教授以及北京體育大學(xué)2019級(jí)博士研究生。
此前備戰(zhàn)奧運(yùn)會(huì)期間還在寫(xiě)博士論文的蘇炳添，之前已經(jīng)發(fā)表過(guò)數(shù)篇短跑方面的論文，研究?jī)?nèi)容主要是“蘇炳添為什么跑這么快”。
最近，在告別全運(yùn)會(huì)征程之后，蘇炳添回歸家庭享受了一個(gè)短暫假期，隨后又開(kāi)啟了工作模式。
暨南大學(xué)官方錄制的一段有關(guān)蘇炳添上課的視頻中，除了在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和力量室里的教學(xué)外，在戶外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，蘇炳添先是演示跨欄動(dòng)作，雙臂張開(kāi)平行，隨即跨欄，后續(xù)還有鉆欄的動(dòng)作，然后讓學(xué)生一一做出來(lái)，蘇炳添則在一旁監(jiān)督糾正。
除了教學(xué)之外，蘇炳添與國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所/北京體育大學(xué)陳小平、暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院李風(fēng)煜教授等人合作，從運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練中對(duì)各種體征信號(hào)采集、分析的需求出發(fā)，綜述了近些年來(lái)柔性電子、光電集成傳感器的最新研究進(jìn)展，介紹了不同種類的運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)方法，包括生物電位信號(hào)監(jiān)測(cè)、電化學(xué)傳感監(jiān)測(cè)、光電容積描記法監(jiān)測(cè)等。
相關(guān)論文也以“科學(xué)訓(xùn)練輔助：柔性可穿戴傳感器運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用”為題，發(fā)表在《中國(guó)科學(xué): 信息科學(xué)》上。
在論文中，作者主要討論了基于電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)、基于光電感知的體征監(jiān)測(cè)和基于電化學(xué)生物傳感監(jiān)測(cè)三類。
在基于電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)中，我們就來(lái)看看其中的一類，即肌肉電信號(hào)。
肌肉電信號(hào)采集的原理主要通過(guò)體表附著電極，進(jìn)行對(duì)肌肉系統(tǒng)的神經(jīng)細(xì)胞所產(chǎn)生的電生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的肌肉電信號(hào)變化，可以對(duì)肌肉疲勞發(fā)出預(yù)警，從而調(diào)整運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練方法以及訓(xùn)練量。
在電極與皮膚的貼合性問(wèn)題上，新加坡國(guó)立大學(xué)的歐陽(yáng)建勇教授引入基于山梨醇修飾的PEDOT:PSS與水性聚氨酯復(fù)合的有機(jī)干電極薄膜，即使皮膚處于濕潤(rùn)條件下，電極仍能與皮膚實(shí)現(xiàn)良好貼合。也就是說(shuō)，即使在運(yùn)動(dòng)出汗過(guò)程中，該電極仍能采集到高質(zhì)量的肌電信號(hào)。
為實(shí)現(xiàn)便攜式的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肌電信號(hào)，佐治亞理工學(xué)院的Woon-Hong Yeo教授提出了基于石墨烯、銀、聚酰亞胺等多種納米材料合成制備可拉伸的傳感器。該方法打印制備的柔性電極能夠與皮膚形成良好的貼合，在循環(huán)多次使用情況下，仍然能夠采集具有高質(zhì)量的信號(hào)。
除此之外，新加坡南洋理工大學(xué)的陳曉東教授采用水凝膠與TPU-Au導(dǎo)電復(fù)合材料制備的電極，具有機(jī)械柔軟性以及高導(dǎo)電性，可以在運(yùn)動(dòng)電生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)獲得質(zhì)量穩(wěn)定的信號(hào)，電極在150次循環(huán)使用后，采集信號(hào)的信噪比仍保持在45dB，即具有極佳的耐疲勞性。
通過(guò)上面的討論可以看出，通過(guò)開(kāi)發(fā)新型導(dǎo)電材料，制備柔性電極，可解決肌肉電信號(hào)監(jiān)測(cè)中器件集成與貼附的問(wèn)題，也有助于更靈敏、便捷、可穿戴、可附著式傳感設(shè)備的開(kāi)發(fā)。
在基于光電感知的體征監(jiān)測(cè)中，可以分為心率、心率變異性和血氧飽和度。
作為人體最重要的人體體征信息之一，心率的監(jiān)測(cè)方法主要包括基于ECG黃金標(biāo)準(zhǔn)法和基于PPG原理的方法。
在針對(duì)心率監(jiān)測(cè)方法的改進(jìn)上，香港中文大學(xué)的趙鈮教授基于有機(jī)光電晶體管和無(wú)機(jī)LED摻雜，研制了超薄柔性近紅外光表皮電容積脈搏波傳感器，首次搭建了柔性生物傳感器的生理信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)，主要解決運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)偽影導(dǎo)致采集光電信號(hào)數(shù)據(jù)失真的問(wèn)題。
西北大學(xué)Rogers教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種柔性平臺(tái)的材料和設(shè)備，在指甲片上安裝柔性薄膜光電傳感器，集成光電功能進(jìn)行光電容積圖的無(wú)線捕獲和傳輸，采用帶有雙層環(huán)形天線的多層布局，可最大限度地提高能量收集效率和無(wú)線數(shù)據(jù)通信的距離，進(jìn)行心率等生理信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。與商業(yè)手環(huán)相比，該器件貼合指甲，足以減少運(yùn)動(dòng)偽影導(dǎo)致的信號(hào)衰減問(wèn)題，準(zhǔn)確性較高。
隨著AI和深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用，Motin MA等人提出了一種在高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)條件下，基于PPG原理下得到心率情況。該研究主要是提出一種基于維納濾波的算法，在高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)情況下，從PPG信號(hào)進(jìn)行提取信號(hào)，并估算此時(shí)心率情況。在實(shí)驗(yàn)組對(duì)比中，該算法得出最終的錯(cuò)誤率僅為1.78%。
基于電化學(xué)生物傳感監(jiān)測(cè)可以分為乳酸和葡萄糖。
針對(duì)可穿戴傳感器而言，乳酸的主要檢測(cè)方法有兩種：基于光學(xué)感知與基于電化學(xué)生物傳感。
加州大學(xué)Wenzhao Jia等人第一個(gè)提出基于柔性打印的紋身電極電化學(xué)傳感器用于汗液乳酸的檢測(cè)，由于無(wú)創(chuàng)的乳酸檢測(cè)對(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)比賽具有重要意義，引起了世界各國(guó)科研工作者廣泛研究。
加州大學(xué)伯克利分校的高偉教授提出了一種實(shí)時(shí)可穿戴汗液分析傳感陣列（ flexible integrated sensing array, FISA)，該傳感陣列可以實(shí)現(xiàn)選擇性篩選汗液中的各種代謝物以及電解質(zhì)，將乳酸氧化酶固定在殼聚糖滲透膜上，通過(guò)傳感器產(chǎn)生的電流與代謝產(chǎn)物成比例關(guān)系，進(jìn)行乳酸濃度分析。該傳感陣列的抗干擾能力較強(qiáng)，在外界情況的影響下依舊能夠保持較好的機(jī)械性能和穩(wěn)定性。
加州大學(xué)的Joseph Wang教授開(kāi)發(fā)了一種集成多功能眼鏡傳感器，可以實(shí)時(shí)地對(duì)人活動(dòng)過(guò)程中汗液中的電解質(zhì)和代謝產(chǎn)物檢測(cè)。通過(guò)將乳酸傳感器集成到眼鏡的鼻梁墊中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的乳酸監(jiān)測(cè)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程期間，可以通過(guò)無(wú)線的模塊實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)。
澳大利亞莫納什大學(xué)程文龍教授提出了一種可穿戴智能紡織乳酸生物傳感器，該傳感器可以集成到運(yùn)動(dòng)裝備，從而實(shí)現(xiàn)全方位長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)。該傳感器在人工汗液中檢測(cè)靈敏度為14.6μA/mMcm2。另外，可以在高達(dá)100%的高拉伸應(yīng)變情況下，傳感器性能仍然保持不變。
美國(guó)西北大學(xué)A. Rogers等人開(kāi)發(fā)了一種柔性微流控多功能比色汗液檢測(cè)平臺(tái)，該平臺(tái)除了可以實(shí)現(xiàn)汗液中的乳酸監(jiān)測(cè)，還可以進(jìn)行汗液溫度監(jiān)測(cè)、出汗率、氯離子和葡萄糖的檢測(cè)。該平臺(tái)特點(diǎn)是對(duì)收集汗液的毛細(xì)破裂閥進(jìn)行優(yōu)化，使汗液流通到各個(gè)的微通道中，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在各物質(zhì)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)互 不干擾。
競(jìng)技體育是國(guó)家重點(diǎn)的發(fā)展方面，也是發(fā)展水平的核心競(jìng)爭(zhēng)所在。
現(xiàn)代的競(jìng)技體育訓(xùn)練方面不斷地提高，尤其是隨著智能化的應(yīng)用，很多設(shè)備都可以在體育行業(yè)當(dāng)中得到利用。正如論文中涉及的各種設(shè)備，通過(guò)分析大數(shù)據(jù)，可以監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員的各項(xiàng)生理指標(biāo)，還可以預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練過(guò)程當(dāng)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，可以進(jìn)行合理的規(guī)避。
蘇炳添提出，科學(xué)化運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練需要一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)需要多種柔性可穿戴運(yùn)動(dòng)傳感器的整合，具備運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)技術(shù)戰(zhàn)術(shù)分析、運(yùn)動(dòng)心理情況分析、運(yùn)動(dòng)損傷預(yù)測(cè)等功能。
該平臺(tái)的研發(fā)將有望解決運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練需要多臺(tái)監(jiān)控設(shè)備、多位技術(shù)人員等問(wèn)題，降低了成本和時(shí)間投入。
科學(xué)化運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展將會(huì)成為競(jìng)技體育成績(jī)突破的新科技，助力運(yùn)動(dòng)員取得新突破，為青少年運(yùn)動(dòng)員培養(yǎng)與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員選拔提供更精細(xì)、準(zhǔn)確的參考與指導(dǎo)，推動(dòng)我國(guó)“體育強(qiáng)國(guó)建設(shè)”。
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