雪白冬奧“黑科技” 自加熱裝備解燃眉之急

2022北京冬奧會將至，中國答卷備受世界矚目。辦好冬奧絕非易事：比賽場地用雪需求大，保障雪質(zhì)和造雪量尤為關(guān)鍵;在嚴寒地區(qū)開展工作和訓練，保暖是個大問題;運動員進行滑雪訓練時，從雪場山腳重登山頂費時費力……

種種難題如何破解?精彩絕倫的體育盛事離不開每個“細胞”的辛勤付出。眾多企業(yè)與高校積極創(chuàng)新，多項自主研發(fā)成果及時出爐，場地建設(shè)、訓練備戰(zhàn)有條不紊，3億人參與冰雪運動的理想也正在照進現(xiàn)實。

電線桿帶來創(chuàng)新靈感

滑雪是冬奧會上的重頭戲。北京冬奧會15個分項中，滑雪項目有6個。雪，自然成為場地建設(shè)的重中之重。

雪從何來?

自然不能靠降雪。天氣本身是個不穩(wěn)定因素，此外，天然雪密度小，重量較輕，滑雪體驗不如質(zhì)地更結(jié)實的人工雪。因此，在大型滑雪場和奧運場地，自動化的造雪機必不可少。

然而，傳統(tǒng)造雪機往往射程范圍小、造雪質(zhì)量不高，如想變換造雪范圍，還需人工輔助。近些年，中國冰雪產(chǎn)業(yè)遍地開花，各地滑雪場的造雪工作量只增不減，由此引發(fā)的機械成本和人工成本攀升，困擾諸多滑雪場經(jīng)營者。

“僅崇禮的萬龍滑雪場就有30多條雪道，如何提高造雪量是個大問題。”張長生是河北省張家口市宣化宏達冶金機械有限公司(下稱宏達公司)的創(chuàng)始人，公司成立初期主要生產(chǎn)面向旅游景區(qū)的脫掛式索道相關(guān)產(chǎn)品。冰雪運動升溫，讓他看到了背后的巨大商機。

怎樣以較低的技術(shù)和人工成本實現(xiàn)更大造雪量?靈感，就來自于馬路邊的電線桿。2015年的一天，張長生到崇禮萬龍滑雪場商談業(yè)務(wù)，驅(qū)車返程路上，窗外一根根向后退去的電線桿引起他的思考：造雪機的原理是用機器將原本3—4℃的水噴射到至少-2℃的環(huán)境中，水經(jīng)過冷卻變成小冰粒。如果噴射距離過短、范圍固定，會導致該區(qū)域溫度升高，甚至達到零度以上，從而影響人工雪質(zhì)量。如果用電線桿似的支架把造雪機架起來，讓它“站”得更高，噴射距離遠，造雪覆蓋面大，水在空中停留更長時間，造出的雪質(zhì)不也就更扎實了嗎?

說干就干。畫草圖，做設(shè)計，生產(chǎn)研發(fā)……2015年4月，國內(nèi)首臺塔式造雪機旋轉(zhuǎn)支架樣品在宏達公司誕生。巧合的是，同年7月北京成功申辦2022年冬奧會。消息一出，多家國外造雪機廠商紛紛尋求合作，欲將自己的造雪機和宏達生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)支架“捆綁”，一同參與2022年冬奧會相關(guān)設(shè)備采購招標。最終，意大利一家公司與宏達一并中標，成為延慶賽區(qū)“高山速降”比賽場地的造雪設(shè)備供應(yīng)商。

“目前我們已為延慶賽區(qū)提供了76個造雪機旋轉(zhuǎn)支架，另一個比賽場地崇禮云頂滑雪場也在使用我們的支架。”張長生介紹，他們生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)支架高8米，臂長9米，有了它作支撐，原本射程四五十米的造雪機現(xiàn)在能達80米左右。借助遠程遙控，造雪機支架還可以360度旋轉(zhuǎn)，幫助造雪機實現(xiàn)“揚頭”“低頭”等操作。

如今，宏達公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)支架不僅大幅提升了冬奧會賽場人工造雪的質(zhì)量和效率，還作為國內(nèi)首創(chuàng)獲得了國家發(fā)明專利和實用新型專利。來自全國各地及海外滑雪場的訂單如雪片般飛來，即便受疫情沖擊，宏達公司去年的銷售總額仍超1億元。

自加熱裝備解燃眉之急

嚴寒，是冬奧項目運動員必須面對的挑戰(zhàn)。

今年1月初，冬奧會訓練場地——張家口市崇禮區(qū)太子城氣溫驟降至-40℃，在極寒的戶外場景開展訓練，部分運動員出現(xiàn)了不同程度凍傷。

情況緊急，“冬季運動耐低溫保障服裝關(guān)鍵技術(shù)研究與制備應(yīng)用”項目組及時支援。

“我們聯(lián)合企業(yè)集中力量準備了450套電加熱面罩和187副電加熱手套，還研發(fā)了智能加熱服裝。”參與項目的天津工業(yè)大學紡織科學與工程學院教授劉皓介紹。

該團隊研發(fā)的加熱控溫模塊，包括常規(guī)的三檔調(diào)溫模式和APP程序設(shè)定智能控溫模式，長按手套背面一枚硬幣大小的電源開關(guān)，約莫二三秒鐘，開關(guān)亮起紅光，再短按兩下，開關(guān)鍵又分別轉(zhuǎn)為藍色、綠色光源。劉皓向記者展示，電加熱手套分高中低3個檔位，長按開關(guān)鍵為啟動，短按一次則可調(diào)節(jié)檔位，其中電源開關(guān)呈紅色為最高溫65℃，藍色、綠色依次對應(yīng)中檔55℃、低檔45℃。

智能加熱裝備依靠的是電加熱元件、智能控溫模塊及控溫算法、溫度傳感器以及柔性器件與服裝的集成技術(shù)。劉皓告訴記者，在“環(huán)境—服裝—人體”體系中，服裝和人體之間的微環(huán)境會受到環(huán)境溫度、風速和穿戴者自身運動狀態(tài)等因素影響而處于波動狀態(tài)，而融入智能算法的加熱服裝可以自適應(yīng)外界環(huán)境溫度，這有望成為加熱服裝發(fā)展新趨勢。

“在極寒環(huán)境中，要讓微環(huán)境的溫度和濕度始終處于人體的舒適狀態(tài)，加熱元件是進行調(diào)節(jié)的重要手段。”劉皓介紹，他們研發(fā)的一套加熱裝備相當于“保暖面料+加熱元件+鋰電池”的組合，根據(jù)裝備功能差異來內(nèi)置不同數(shù)量的加熱元件。比如，一只手套的五根手指各配有1個加熱元件，而電加熱面罩的加熱元件則位于人體容易受涼的脖頸部位，通常環(huán)繞裝置2—4個，以保障裝備均勻供熱。如果將溫度調(diào)至最高檔位，這套裝置能在戶外持續(xù)發(fā)熱4—6小時。

帶著電加熱面罩和手套，劉皓和同事驅(qū)車近400公里，將裝備及時送到冬奧會訓練基地。

目前，劉皓團隊正在進一步研發(fā)更輕薄、安全、穩(wěn)定的裝備，并努力實現(xiàn)智能控溫模塊的研發(fā)升級。

滑雪不再受制于天氣

一位運動員穿戴著傳感器設(shè)備，在12米長的鋼制滑臺上急速擺動滑行。前方電子屏幕上的模擬滑雪賽道，正隨著他的滑行動作迅速變換場景。

這套“室內(nèi)多自由度模擬滑雪訓練系統(tǒng)”，由北京理工大學自動化學院聯(lián)合運達體育管理(北京)有限公司研發(fā)，為高山滑雪、越野滑雪等項目提供室內(nèi)模擬訓練設(shè)備，以提升運動員回轉(zhuǎn)、滑行等專項動作訓練效率。

最初，國家高山滑雪隊用的可不是這套設(shè)備，而是國外引進的直線式模擬滑雪運動設(shè)備。項目組進駐國家隊訓練基地，細心觀察運動員試用情況，獲取了大量一手資料，并根據(jù)中國運動員的體型、身高等數(shù)據(jù)改進設(shè)備，研發(fā)出3套國產(chǎn)室內(nèi)多自由度模擬滑雪系統(tǒng)。

項目主要研發(fā)人員之一、北京理工大學自動化學院副教授陳振介紹，這套系統(tǒng)包括模擬滑雪訓練平臺、六自由度平臺、運動形態(tài)識別與位姿測量系統(tǒng)和用于展示滑雪場景的電子大屏。練習時，運動員可選擇“奧運賽道”模式，設(shè)定“過旗門”“大回轉(zhuǎn)”“小回轉(zhuǎn)”等具體訓練內(nèi)容。滑臺下方的六自由度平臺能模擬高低、傾斜、偏轉(zhuǎn)等姿態(tài)，還原運動員在真實滑行中可能遇到的各種賽道狀況。運動員可穿戴的運動形態(tài)識別與位姿測量系統(tǒng)，則用于采集分析運動員訓練數(shù)據(jù)，為科學化訓練提供指導依據(jù)。

“滑完一個賽道后，教練員結(jié)合數(shù)據(jù)進行點評，糾正運動員存在的問題。”陳振說，通過高速動態(tài)攝像捕捉，運動員的一些關(guān)鍵動作將被記錄下來。“系統(tǒng)會回放運動員的滑行姿態(tài)，并設(shè)有‘優(yōu)秀運動員模型’用于對比分析。比如過旗門時如何保證不減速、不撞門，通過對比來發(fā)現(xiàn)并解決訓練中的問題。”

陳振口中教練員點評用到的數(shù)據(jù)，源于運動員所穿的“暗藏玄機”的運動服——17個記錄人體運動和姿態(tài)信息的傳感器被縫制在運動服中。只需穿上這套服裝開展練習，運動員的滑行角度、角速度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)就能被記錄下來，輔助教練員進行數(shù)字化、多維度的技術(shù)動作分析和訓練指導。

“當然，安全是訓練的首要要求。”陳振介紹，不僅滑臺前后的護欄能起到保護作用，在訓練過程中，滑臺上還會安裝安全繩。如果運動員在左右滑行時不慎摔倒，滑臺上的光學傳感器能夠及時感知，并立即暫停滑行動作，確保運動員安全。

未來，北京理工大學還將進一步針對小學生、中學生等群體改造設(shè)備。“這套系統(tǒng)讓滑雪運動不再受制于天氣，更多人能以更低成本參與冰雪運動。”陳振說。

(記者 廖睿靈)