一位納米材料研究者，為啥會和場地自行車擦出火花？

在場地自行車賽場上，為了突破 0.0001 秒的極限，為了讓比賽更公平，納米科學(xué)家做了什么？

2024 年 7 月 21 日，國家體育總局體育科學(xué)研究所特聘客座研究員、中國科學(xué)院蘇州納米所所務(wù)委員張珽在科普中國星空講壇“科學(xué)之眼看奧運(yùn)”主題場帶來演講《0.001 秒的極限突破》。

以下是張珽的演講節(jié)選：

大家好，我是張珽，來自中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所。

我從事的研究方向是智能微納感知材料與器件，簡單說，就是利用納米的材料和結(jié)構(gòu)來研制高靈敏度、快速響應(yīng)的智能傳感器件。

那么，我們的傳感器是怎樣和奧運(yùn)擦出火花的呢？

在現(xiàn)代奧運(yùn)賽場上，每一毫秒甚至每一微秒都至關(guān)重要。尤其在場地自行車比賽中更是如此，因為當(dāng)代的場地自行車速度可以超過每秒 20 米，而頂尖選手之間的差距往往就在毫秒之差。

比如在 2016 年，里約奧運(yùn)會場地自行車女子個人爭先賽決賽中，德國選手就是以 0.004 秒的優(yōu)勢獲得了金牌。所以說，在奧運(yùn)賽場上，每突破千分之一秒都極為重要。

我們有一句口號：“為了千分之一秒，窮盡一切可能?！蔽覀兙褪窍Ｍ柚萍嫉牧α?，借助學(xué)科交叉，來突破這 0.001 秒的極限。

高精度計時系統(tǒng)，很有必要

對于場地自行車比賽來說，高精度計時系統(tǒng)非常必要。

目前，全球有兩套奧運(yùn)認(rèn)可的計時系統(tǒng)，都是被國外公司壟斷。由于國外計時系統(tǒng)針對賽事的設(shè)計，價格很昂貴，每套高達(dá) 200 多萬元人民幣，操作起來需要多人配合，而且目前的功能還不能滿足教練員和訓(xùn)練員的個性化的需求。同時，我們國家隊還停留在手動掐表或錄像解析的方法，不僅精度低，且費(fèi)時費(fèi)力，反饋速度慢。

高精度計時系統(tǒng)的工作原理是怎樣的呢？它是在賽道中安裝了壓力的檢測帶，自行車經(jīng)過檢測帶時，就會產(chǎn)生電信號，通過追蹤盒來接收并進(jìn)行處理，由此實現(xiàn)計時。這類系統(tǒng)不但價格昂貴，也存在著很大的不足。

比如壓力檢測帶，目前國外是利用兩層弧形的銅片，通過接觸和分離來實現(xiàn)對自行車的壓力檢測。這就會導(dǎo)致兩個至關(guān)重要的問題：

一個是材料方面的，因為自行車高速經(jīng)過檢測帶時，兩層銅片會發(fā)生碰撞，產(chǎn)生較強(qiáng)的靜電，這就會影響系統(tǒng)，可能導(dǎo)致信號監(jiān)測不準(zhǔn)；

第二個關(guān)鍵性的問題，出在兩層弧形的銅片上，這會使壓力檢測帶比較厚，就像開車經(jīng)過減速帶時會顛簸一下，在比賽中，自行車高速通過這種凸起的檢測帶時也會帶來短暫的沖擊，導(dǎo)致自行車減速，這可能帶來很大的安全隱患，增加選手摔倒或受傷的風(fēng)險，對競速比賽也十分不利。

因此，我們亟需研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、而且更加先進(jìn)的高精度計時系統(tǒng)，來實現(xiàn)國產(chǎn)化的替代，這對于提高我國場地自行車賽核心競爭力具有十分重要的意義。

要實現(xiàn)這個目標(biāo)，關(guān)鍵是要突破高精度計時系統(tǒng)核心傳感元件的自主研制，包括高性能的壓力檢測帶、追蹤盒和啟動發(fā)令控制臺和軟件系統(tǒng)等等。

要實現(xiàn)目標(biāo)，怎么做？

為了研制出更加先進(jìn)的壓力檢測帶，我們創(chuàng)新地利用了納米技術(shù)，設(shè)計了對壓力非常敏感的碳納米管復(fù)合材料。

碳納米管是一種非常獨(dú)特的導(dǎo)電納米材料，直徑比頭發(fā)絲細(xì)一萬倍，抗拉強(qiáng)度是鋼鐵的 100 倍，剛好可以解決壓力帶過厚的問題。

接下來就要解決精準(zhǔn)性的問題了。

為此，我們團(tuán)隊想了很多方法，最終，是小時候給我們帶來很多歡樂的游戲棒帶給了我們靈感。散落的游戲棒可以相互搭接在一起形成網(wǎng)絡(luò)，你可以想象，如果碳納米管也這樣搭接在一起，形成這種網(wǎng)絡(luò)，挑動任何一根，都可能顯著影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能。

精妙的材料復(fù)合工藝，使這種導(dǎo)電的碳納米管納米材料相互散落，交織成網(wǎng)絡(luò)，自行車輪快速壓過時，在車輪下的方寸之間，千萬根碳納米管就會發(fā)生形貌變化和電學(xué)性能的變化，使導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)快速顯著地波動。如此，我們就可以精準(zhǔn)記錄下自行車接觸到檢測帶的瞬間。

把碳納米管做成導(dǎo)電墨水

有了以上這種設(shè)計原理，下一步我們就可以通過反復(fù)試驗來實現(xiàn)高靈敏的柔性壓力傳感帶器件以及批量制備，這也是核心挑戰(zhàn)之一。為此，我們需要長期地反復(fù)探索、試錯還有迭代。

首先，我們把這種碳納米管分散在試劑里，做成均一性的復(fù)合導(dǎo)電墨水，它的優(yōu)點(diǎn)是均一性好、流動性可控，同時可以通過印刷或 3D 打印的方法，印制在很多柔性的襯底材料上面。

然后，我們再通過不斷優(yōu)化印刷工藝，以及對柔性襯底材料的物理、化學(xué)性質(zhì)的調(diào)控，讓這種柔性襯底和碳納米管復(fù)合材料薄膜之間具有非常強(qiáng)結(jié)合力，從而增加器件的穩(wěn)定性，這樣在彎曲和使用的過程中，敏感材料不會從柔性基底上表面脫落。由此，我們得到了這種輕薄、柔軟的新型柔性壓力傳感器。

它的厚度僅有 0.3 毫米，就像一張紙那么薄。因此，當(dāng)車輪快速壓過時，可以很好地提升檢測的精準(zhǔn)度，并且不會造成自行車減速，也大大提高了安全性。目前，我們這種柔性壓力檢測帶可以做到8米長，并且能承受大于 100 萬次、時速 90 公里的自行車反復(fù)碾壓。

在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步攻克了柔性壓力傳感器批量一體化成型等難題，再通過柔性封裝、接口設(shè)計，最終實現(xiàn)了面向場地自行車追蹤計時的高精度柔性壓力檢測帶的批量化制備。

至此，我們完成了高精度計時系統(tǒng)研制的第一步。

接下來，我們將這種國際上首創(chuàng)的柔性壓力檢測帶，在北京的訓(xùn)練場館里的場地自行車賽道上進(jìn)行了分布式的布局，數(shù)量有7條以上，這是運(yùn)動健兒魚貫通過柔性壓力檢測帶的影像畫面——

將計數(shù)誤差控制在萬分之一秒內(nèi)

我們研究工作的第二步，就是對這些柔性壓力檢測帶檢測到的信號，進(jìn)行快速、同步地傳輸和處理，這也是一個挑戰(zhàn)。

為此，我們聯(lián)合了重慶大學(xué)鐘代笛、黃智勇教授團(tuán)隊，建立了分布式時間同步網(wǎng)絡(luò)，將整個計數(shù)誤差控制在萬分之一秒內(nèi)。

另外，場地自行車在高速騎行過程中，輪胎和地板會不斷摩擦，會累積大量電荷，與壓力帶接觸時會發(fā)生萬伏以上的強(qiáng)放電，這會極大影響信息采集的精準(zhǔn)性以及系統(tǒng)的安全性。

于是，我們采用了精準(zhǔn)放電、硬件隔離以及軟件濾波等多種方式，對外界可能產(chǎn)生的一些強(qiáng)干擾信號實現(xiàn)了無害化的處理，保證了數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性，同時保證了系統(tǒng)的安全性。

精準(zhǔn)控制出發(fā)器閘門打開時間

在發(fā)令前，場地自行車由出發(fā)器控制，在發(fā)令倒計時時間到了以后，計時系統(tǒng)延遲 100 毫秒打開出發(fā)器，運(yùn)動員迅速作出反應(yīng)并出發(fā)。

這里涉及到高精度計時系統(tǒng)的第三個核心元件：啟動發(fā)令控制臺。

在這個過程中，運(yùn)動員的反應(yīng)速度對比賽成績至關(guān)重要。一般情況下，運(yùn)動員會基于出發(fā)器的開閘時間進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，從而形成肌肉記憶。

同時，這也要求我們在設(shè)計出發(fā)器時，要精確控制閘門的打開時間，控制精度也要達(dá)到千分之一秒，否則，早了會造成“搶跑”，晚了會影響運(yùn)動員的成績。

閘門的打開屬于機(jī)械運(yùn)動，要將機(jī)械運(yùn)動的精度控制在如此短的時間，難度非常大。我們聯(lián)合了重慶大學(xué)的團(tuán)隊，利用高速攝像機(jī)結(jié)合高精度的控制算法，對閘門的打開時間實現(xiàn)了精準(zhǔn)控制，將誤差控制在萬分之一秒內(nèi)。

綜合以上研究，我們通過學(xué)科交叉，與多個團(tuán)體合作，最后實現(xiàn)了突破 0.001 秒極限的高精度計時系統(tǒng)。

未來，我們還將繼續(xù)優(yōu)化，比如引入更精妙的微納結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化力學(xué)模型和電學(xué)模型，進(jìn)一步提升柔性計時帶的壓力感知靈敏度，力爭把計時精度提升到微秒級別。

其實，這些技術(shù)不僅可以應(yīng)用在場地自行車賽上，包括擊劍、拳擊等等這些體育賽事中，都可以用到這種柔性智能感知技術(shù)。

同時，我們基于納米技術(shù)的這種柔性智能感知技術(shù)，可以更深入地協(xié)同信息采集、傳輸和處理系統(tǒng)，來實現(xiàn)計數(shù)誤差的縮小；通過智能算法、多技術(shù)聯(lián)用和網(wǎng)格化的布局，來實現(xiàn)對自行車位置和速度的實時、精準(zhǔn)感知，使場地自行車賽進(jìn)入全面的智能時代，使運(yùn)動更加科學(xué)。

減小阻力，新材料還可以怎么用？

其實，新材料和新技術(shù)在奧運(yùn)賽場上的應(yīng)用，不止于此。

我們也在結(jié)合仿生學(xué)的設(shè)計來尋找降低自行車阻力的可能性，并且已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。

我們聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)苑偉政教授、何洋教授團(tuán)隊，在風(fēng)洞中試驗測量車架、車輪、車把、騎行服、頭盔以及每一名車手的騎行姿態(tài)，從這 6 個方面找出減少阻力的可能性。

我們借鑒了我國新疆庫姆塔格沙漠獨(dú)有的舌形分形沙壟結(jié)構(gòu)，沙壟表面的起伏規(guī)律能夠影響風(fēng)的流動，形成一種相對較平滑的阻力分布。這種分布可以使風(fēng)在通過沙壟的過程中，保持較高的流速和流量，從而減少阻力和能量損失。

基于這種仿生設(shè)計的靈感，我們在國際上首次設(shè)計制造出仿沙壟微納結(jié)構(gòu)減阻薄膜，結(jié)合空氣動力學(xué)等理論，設(shè)計了針對自行車輪旋轉(zhuǎn)體和頭盔的獨(dú)特微納結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了 3% 的減阻率。

同時，我們聯(lián)合北京師范大學(xué)-香港浸會大學(xué)聯(lián)合國際學(xué)院的蘇偉峰教授團(tuán)隊，通過運(yùn)動估計智能算法和計算機(jī)視覺技術(shù)等人工智能手段，高效、智慧地的分析運(yùn)動影像，結(jié)合地面計時帶，形成了多維度、多模態(tài)的時空精準(zhǔn)判定，可以消除毫秒級的競爭中的誤判。

我們希望，通過多學(xué)科的交叉，結(jié)合納米技術(shù)、仿生技術(shù)以及 AI 技術(shù)等等，來搭建最精準(zhǔn)的鐘，讓比賽更加公平，也為奧運(yùn)健兒“更快、更高、更強(qiáng)”貢獻(xiàn)一份力量。

策劃制作

作者丨張珽 國家體育總局體育科學(xué)研究所特聘客座研究員 中國科學(xué)院蘇州納米所所務(wù)委員

責(zé)編丨楊楊

本文封面圖片及文內(nèi)圖片來自版權(quán)圖庫

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