二、奥运会背后，从来都是强国的科技“军备竞赛”

​​为期17天的东京奥运会正在落幕。 截止至8月8日下午13时45分，本次的东京奥运会落下帷幕，中国奥运代表团的体育健儿们取得了38金、32银、18铜的优异成绩，位居全球金牌榜第二。 除了乒乓、跳水等传统优势项目外，今年，中国奥运健儿们更是在众多超预期的其他项目中取得了不断打破世界纪录，取得了惊人的突破：苏炳添在东京奥运会的百米半决赛中以9.83秒的绝佳成绩一战封神，成功打破亚洲纪录，成为全球唯一一位晋级百米决赛的黄种人；而在女子4×200米自由泳接力决赛中，杨浚瑄、汤慕涵、张雨霏、李冰洁四位姑娘则以7分40秒33的成绩打破了澳大利亚队创下的世界纪录，夺得冠军。 中国运动员取得的成绩和自身努力奋斗密不可分，但在科技飞速发展的当下，各类高新技术已经悄然潜入各大体育赛事，成为推动运动员再创佳绩的强大后盾。 历史上，科技强国总能依靠先进的技术、先进的装备，助力自己国家的运动员取得优异成绩，这也给每届奥运盛会带来的时代亮色。比如，依靠可以将运动员的游动速度提高3%到7.5%的鲨鱼皮泳衣，美国游泳队一度是泳坛的“常胜将军”。比如，《每日邮报》指出，“超级鞋”的特制跑鞋让男子马拉松选手近年来平均成绩提高约2%。 如今，随着中国科技实力增强，越来越多的科技也在帮助中国运动员“更快、更高、更强”。比如，航天九院将航空惯性技术成功嫁接在游泳训练中，精确捕捉运动员每一秒的姿态、呼吸情况；电影《西虹市首富》中的“陆游器”竟成赛艇训练秘密武器；专为打破奥运会纪录夺金的举重选手“军神”吕小军定制的“吨位鞋”…… 另一个值得关注的趋势是，随着以人工智能为代表的计算技术成熟，也很可能被运用到竞技体育中，尤其是直接或间接涉及到策略的项目中。比如，足球豪门巴萨和Pixellot从2017前就开始合作，在训练中做实时数据分析，辅助和执行特定的战术和动作。再如，与硅谷公司SecondSpectrum合作，NBA球队金州勇士在2014-2015赛季，40年来来首次拿到NBA总冠军。今年的奥运会上，奥地利数学系博士后安娜·基森霍夫 (Anna Kiesenhofer)，虽然是个人选手，但凭借着精密的计算和计划，爆冷夺冠。在未来，这样的技术很可能还会有更广泛的应用。 科技与资本深度影响竞技体育，还将持续。赛场上，早已经不仅仅是各国运动员生理机能的比拼，而是一场体育科技“军备竞赛”。奥运赛场上，运动员向“更快、更高、更强”的目标奋进，为国家民族而战。奥运赛场外，科研人员同样进行着“更快、更高、更强”的目标努力，为超越人类极限而战。 而这样的科技“军备竞赛”和超越极限的技术大战，还将继续持续下去，且越演越烈。 7月29日，中国选手张雨霏在东京奥运会女子200米蝶泳中勇夺金牌，随后中国队女子4*200米自由泳接力再次夺金。 在游泳比赛中，一些微小的动作往往是决定成败的关键，高手之间的对决甚至往往只差在那0.1秒。 由于传统的影像记录等手段不能定量获取运动员全部运动信息，尤其是无法对关节间转动这样微小的变化进行有效辨识，但航天惯性技术有助于解决这个难题。 国家体育总局带着这样的项目需求找到了航天九院，希望其可以帮助进行具体产品研发。航天九院13所时代光电公司是我国重要的惯性技术及产品研发基地，一直为我国各型号火箭和航天飞行器提供高品质光纤惯组及光纤速率陀螺。 该公司将应用在飞行器上的惯性技术成功嫁接在游泳训练中，惯性技术能捕捉精细动作，利用惯导分系统得到运动员每一秒的姿态、呼吸情况以及在泳池里每一次往返的划频、划幅、划次、转身时间等多项技术参数，从而实现对每个动作的精细量化评估。 而且，用于运动测量的产品实物外观看起来极为小巧，重量仅16g，防水等级达IPx7，并采用无线数据收发方式，内置电池无需外接电源。 该产品除了核心的惯导分系统，还包括定位与测速分系统、视频采集分系统、数据综合分析系统共四部分，能分别实现运动员姿态测量、位置与速度测量、运动视频拍摄以及数据集成解算和三维模型驱动功能。 早在今年上半年，国家游泳队紧锣密鼓备战东京奥运会期间，运动测量团队就携带该自研运动测量产品，配合国家游泳队开展运动员风洞试验。张雨霏、杨浚瑄、徐嘉余、刘湘、闫子贝、余依婷等6名世界冠军均参与了试验。 7月28日，中国队陈云霞、张灵、吕扬、崔晓桐在赛艇女子四人划桨项目夺冠并打破本项目世界纪录，这枚金牌的背后也有航天技术的功劳。 航天科技集团十一院充分利用在航天领域多年积累的设计与风洞测试专业知识和科研成果，将航天空气动力设计与测试技术应用于多个奥运比赛项目。 比如，十一院通过风洞试验研究了运动员抓水、驱动、出水、回桨等不同动作姿态的气动力大小，四名运动员不同编队组合对气动阻力的影响，利用科技手段，提高了运动员竞技成绩，助力运动员夺冠。对此，有网友调侃说像是电影《西虹市首富》中王多鱼开发的“陆游器”。 打破奥运会纪录夺金的举重选手吕小军，因为健美的身材被国内外粉丝称为“军神”。他脚上极具个性的金色战靴也引起了观众们的注意。 这双鞋并非普通运动鞋，而是安踏研发的吨位级举重鞋——“吨位鞋”，它采用超耐磨纤维，耐磨性能达普通材料2.5倍，能承受超14个成人的重量，而且鞋子具有足弓避震特性，能吸收足跟冲击力，降低运动员受伤的可能性。 除此之外，安踏还为游泳、摔跤、拳击、体操等项目的运动员提供了技术装备。例如，摔跤比赛服采用了防抓科技，面料通过防抓科技极大降低了被对手抓握的机会，提高赛场表现；摔跤比赛鞋采用了口袋式绑带设计，隐藏锁住鞋带，防止鞋带松脱；体操、蹦床比赛服采用了3D立体剪裁，全方位贴合人体，避免高强度空中动作受风阻影响…… 7月31日，在东京奥运会女子帆板RS:X级比赛中，中国选手卢云秀获得冠军是时隔13年后，中国代表团再次拿到帆船帆板项目奥运会金牌。当天下午，毕焜勇夺男子帆板RS：X级奥运铜牌，实现了中国男子帆板奥运奖牌零的突破。 中国帆板乘风破浪的背后，少不了复旦大学信息科学与工程学院通信科学与工程系高级实验师朱谦、航空工业气动院体育科技事业部部长王崇利以及其团队们的支持。 在本届奥运会期间，朱谦团队提供的技术保障工作，本质上是赛场环境信息收集工作，要做的就是在大赛正式开始之前给教练员和运动员提供有关赛场水文情报分析和科学预测的报告。 由于在正式比赛时，是不可以使用任何的监测仪器的，这就需要通过赛前一年的监测，实现比赛同期时间段的水文信息预测。朱谦团队在2019年7月和8月就到达日本神奈川藤泽市江之岛的比赛现场进行实地勘察，进行监测和数据采集，然后对这些数据进行整理、分析，建立科学模型，最终实现预测。 朱谦团队充分结合中国人古老的智慧，根据农历而非公历，来做数据采集时段工作计划，从而掌握赛场天文潮汐流的变化规律。在2海里至3海里的比赛距离内安放多个监测点，翔实记录每一个时间点的气象变化，尽最大努力做到精细化、同步化测量，具体到同一个时间不同点的风的情况，帮助选手在起航和比赛过程中判断对自己有利的航道。 王崇利团队则充分利用航空科技手段，科学准确地获取帆船帆板运动风帆气动力、船体水阻力以及帆船航行姿态、船速等关键信息。 比如，通过风洞试验和空气动力计算仿真的手段，基于体育风洞搭建了吹风试验系统，对风帆的气动力进行了一系列吹风研究，获取了风帆的基本气动力数据库； 通过水动力计算手段，对国家队帆船帆板等器材开展三维扫描建模，并进行水动力对比计算研究工作，对不同器材的水动力性能进行了对比； 通过研发基于GPS和陀螺仪原理的无线传感器实现了帆船海上训练数据的实时采集，为教练员对训练效果评估提供了量化的数据。 在8月3日东京奥运男子400米栏决赛上，来自挪威的沃霍尔木和美国的本杰明都打破了封尘已久的世界纪录揽下了金银牌。 这原本是件值得庆贺的胜利，但两人却因为脚上所穿的特制跑鞋而陷入了争议之中。 无论是沃霍尔姆还是本杰明，都穿了被称为“超级鞋”的一种蕴含着高科技的钉子鞋（分别来自不同的生产商）。 两种鞋子的主体材料都是碳纤维板，本杰明的鞋子中有气垫层，被认为就像奔跑在蹦床上一样，有助于跨栏；沃霍尔姆的鞋子中没有气垫，鞋底也同样是碳纤维板加固，不过和气垫的作用差不多，都可以提供额外的强度、平衡和弹跳力，此外他的鞋子也要更轻一些。 《每日邮报》将“超级鞋”的运用，称为跑道上的“军备竞赛”，而专家也认为，由于科技提供的支持，运动员们的成绩将会越发有提升。而根据一份报告显示，相较于普通的跑鞋，“超级鞋”会让奔跑速度更快，性能提高3%，而这也是男子马拉松选手近年来平均成绩提高约2%的原因之一。 在2000年的悉尼奥运会上，来自澳大利亚18岁的伊恩索普首次穿上了鲨鱼皮泳衣，连续打破了三项世界纪录，一举拿下了三枚金牌，这也使得鲨鱼皮泳衣名声大噪。 从那时起，许多游泳运动员便穿上了鲨鱼皮泳衣，掀起了一阵泳坛破纪录的狂潮，当然这也引发了诸多争议。 鲨鱼在水中游动的速度极快，最快可达近六十公里每小时。在电视上看见的鲨鱼表皮好像非常光滑，实际上并非如此，真正的鲨鱼皮是很粗糙的，表面布满了非常多细小的鳞片，这些细小的鳞片就像一个个小小的导流片，让水流可以更快地从身体上流过，能够明显降低水的摩擦阻力，从而让鲨鱼在捕猎过程中能够游得更快。 受此启发，科学家在设计鲨鱼皮泳衣时，同样采用了这种结构，使得游泳运动员在水中的阻力可以减少3% ——这个数字看起来似乎相差不大，但这往往能够决定一场比赛的成败，要知道一场游泳比赛能有0.01秒的进步，运动员都要在背后付出巨大的努力。 因为鲨鱼皮泳衣在泳坛的惊人表现，人们的比赛重点好像开始不断跑偏，原本游泳比赛比的是体育运动员本身的实力，可是慢慢演变成一项科技比拼，Speedo在设计鲨鱼皮泳衣时，更是与美国航天局NASA开始合作，利用风洞来测试泳衣在流体中的性能表现，这种跑偏在一定程度逐渐开始破坏比赛的公平性。 鲨鱼皮泳衣虽然有助于帮助选手提高成绩，但是违背了游泳运动不借助外力的本质，所以2010年此类高科技泳衣已被国际泳联宣布永久禁止，炙手可热的鲨鱼皮泳衣也就此离开了历史舞台。 除了帮助运动员们在体育赛事中不断突破自身，取得更好的成绩，前沿科技同时也在不断支持着奥运赛场的其他工作。 本次东京奥运会，日本选择了机器人的形象作为此次东京奥运会的吉祥物代表。据悉，机器人形象在2000多个东京奥运吉祥物设计方案中脱颖而出，与三方面因素有关： 其一是近年来机器人发展不断加快，引发的智能化潮流受到越来越多人认可； 其二是日本在机器人产业拥有强大实力，可以展现国家自信； 其三则是机器人带来的科技理念正与奥运融合。 奥运吉祥物为机器人形象可以看出日本对于机器人的看重，彰显出机器人将是本届奥运的关键元素。日本在赛事还未召开前就向全球展示了要办一场机器人参与的奥运会的蓝图。2019年东京奥组委发布《东京奥运会机器人计划》，特意委托松下、丰田等公司生产一批机器人产品，投入奥运会日常运营。 此外，由于本次东京奥运会多次因为疫情进入紧急状态而延期，最终采取无观众形式举办，现场只能靠播放往届掌声来保证氛围。而在这种混乱又冷清的比赛盛事中，机器人的存在就显得格外重要。 丰田把Miraitowa做成了实体机器人，能通过机载摄像头识别面部表情，并与对方互动。嵌入脚底的传感器能每 1/1000 秒发送一次信息以计算重心；关节上被 3D 打印材料覆盖，不再显得那么机械化；眼球可以与人类操作员的眼睛保持同步，保证了机器人与人们的眼神交流。 据《东京奥运会机器人计划》，机器人最先落地的场景就是奥运村。 东京奥运村堪称“机器人村”，其中存在着日本机器人巨头们打造的各种设备产品，比如可以指路的机器人HSR、送水机器人DSR、能收集标枪和铅球的机器人FSR、能装载20名乘客往返奥运村和赛场的汽车机器人e-Palette，还有清扫、翻译、警卫、快递寄送各服务领域的机器人等等。其中部分导航机器人还加入了AI技术，会识别脸部表情，主动做出卖萌、击掌打招呼等小动作。 值得一提的是，本届东京奥运会是首届使用自动驾驶技术的奥运会。自动驾驶车上配备了控制摄像头、激光雷达、传感器等软硬件。丰田推出的e-Palette自动驾驶出行服务车在奥运村里奔跑，可以通过后台指挥中心就可以实时了解其运行状态。 T-HR3是从 2017 年就开始研发的人形机器人，在一、二代可演奏乐器的基础上，根据编程实现了动作等位置控制的准确性。它依靠的是一台叫Master Hand的控制器，能让人类控制机器人精细到手指上，可以实现捡硬币的操作。 用户在戴上VR 护目镜后就同步操控这一机器人，甚至能将机器人的触感传导到自身。在今年奥运赛场里，T-HR3 主要负责将赛场的图像和声音传输到场外，为观众制造某种亲临现场的错觉，观众也能通过机器人和运动员交流、击掌。 鹰眼裁判一直是奥运赛场上的重要科技力量。东京奥运会采用富士通AI打分辅助系统。该AI评分系统通过向选手的身体及其周边投射红外线，完成动作追踪。AI技术根据动作的三维立体图像，例如身体的旋转和扭动等进行分析，AI再针对图像展示的动作做出分析，遵照打分标准判断技术完成度，能够辅助裁判打分。 7月25日晚，在法国 VS 美国的男篮小组赛中场休息时，一个两米高、一身黑色金属盔甲、穿着 95 号球衣的机器人出现在球场。通过脚底的滑轮，它移动到罚球线、三分线和中场线上投篮，命中率100%。 这是丰田设计的投篮机器人，Cue。取其「提示」之意，像是未来科技到来的一个信号。在它的胸部有一个传感器，可以通过 3D 映射技术来定位篮筐，再调整手臂和腿上的马达，创造出完美的角度后投篮。 它第一次出现是在 2018 年，比现在版本要矮一点。第二年，经过 20 万次 AI 投篮强化训练后，这个投篮机器人创造了世界纪录：连续罚球2020个，没有任何失误。 此次东京奥运会首次引入因特尔联合阿里巴巴开发的3D运动员跟踪技术，基于AI和机器视觉，可以对运动员3D形态进行提取，通过创造一种全新的转播方式——即时回放中对比赛亮点进行分析、解读和复核。这种计算机视觉解决方案可以实时洞察运动员数据并进行广播覆盖，无需穿戴设备、传感器。 此次奥运会没有现场观众，这就意味着全球观众将通过“云”方式进行观看赛事，全球200多个国家需要同时进行转播。 奥林匹克广播服务公司联手阿里云打造的奥林匹克转播云，在东京奥运会派上了用场，改变了以往奥运会现场报道需要专门建设部署临时远程转播基础设施，将传统上必须集中到一个地点的转播系统拆分为三部分：前端信号采集、云端编辑处理、导播制作环节，让东京奥运会的国际转播中心面积缩小了25%，现场工作人员也减少了27%。 日本TOP1通信运营商NTT联手合作伙伴，基于5G技术和自身打造的超沉浸式通信技术Kirari，在帆船比赛中亮相。 通过Kirari，可以将船只上或无人机上搭载的多台4K摄像机拍摄的实时画面，实时组合成由3幅4K图像组成的12K分辨率超宽图像，从而达到单个摄像机无法捕获到的高分辨率和广视角，然后通过5G技术，将12K超宽合成图像实时传输到漂浮在前方的55米海上宽屏上，让观众可以身临其境“参与”竞赛。 此次东京奥运会像是一个大型实验室，为人工智能在各领域的实践提供了珍贵的机会。经过奥运会实验和推广的人工智能产品，相信在之后推广到社会各领域的时候一定会大放异彩。 动力外骨骼机器人是一款辅助人体搬运工作的动力设备，将它穿戴身上，机器人将帮助工作人员在搬运重物时缓解腰部的受重压力，可以有效降低工作人们在搬运重物时受到的重力压迫伤害。 这种动力设备的辅助系统正在大力研发中，对于老年人和行动不便利的残疾人群，动力外骨骼机器人的研制和应用，会为他们提供极大的行动便利。 随着科学训练在体育赛事中扮演的越来越重要的地位，当前，奥运赛场上已经不仅仅是各国运动员生理机能的比拼，而是一场体育科技“军备竞赛”。 正如上文中《每日邮报》所提供的数据，类似“超级鞋”的特制跑鞋让男子马拉松选手近年来平均成绩提高约2%。从游泳到田径、从举重到赛艇，在各类前沿科技的支持之下，体育健儿们正不断突破人类极限，书写更为灿烂的奥运华章。 ​​​​