北京冬奥会上的科技元素「百科知识北京冬奥会科技8问上」

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1.新冠肺炎疫情仍在流行，有哪些“黑科技”助力疫情防控？

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。

3.高科技“战衣”真能提高比赛成绩吗？

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胜。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。

4.初到赛场，不熟悉场地、气象条件怎么办？

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。

本文节选自《百科知识》2022.2A

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