一位納米材料研究者，為啥會(huì)和場(chǎng)地自行車(chē)擦出火花？

在場(chǎng)地自行車(chē)賽場(chǎng)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(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所特聘客座研究員、中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所所務(wù)委員張珽在科普中國(guó)星空講壇“科學(xué)之眼看奧運(yùn)”主題場(chǎng)帶來(lái)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(lái)自中國(guó)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(jiǎn)單說(shuō)，就是利用納米的材料和結(jié)構(gòu)來(lái)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(chǎng)上，每一毫秒甚至每一微秒都至關(guān)重要。尤其在場(chǎng)地自行車(chē)比賽中更是如此，因?yàn)楫?dāng)代的場(chǎng)地自行車(chē)速度可以超過(guò)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(huì)場(chǎng)地自行車(chē)女子個(gè)人爭(zhēng)先賽決賽中，德國(guó)選手就是以 0.004 秒的優(yōu)勢(shì)獲得了金牌。所以說(shuō)，在奧運(yùn)賽場(chǎng)上，每突破千分之一秒都極為重要。

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

高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)，很有必要

對(duì)于場(chǎng)地自行車(chē)比賽來(lái)說(shuō)，高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)非常必要。

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

高精度計(jì)時(shí)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(cè)帶，自行車(chē)經(jīng)過(guò)檢測(cè)帶時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，通過(guò)追蹤盒來(lái)接收并進(jìn)行處理，由此實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)。這類(lèi)系統(tǒng)不但價(jià)格昂貴，也存在著很大的不足。

比如壓力檢測(cè)帶，目前國(guó)外是利用兩層弧形的銅片，通過(guò)接觸和分離來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)自行車(chē)的壓力檢測(cè)。這就會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題：

一個(gè)是材料方面的，因?yàn)樽孕熊?chē)高速經(jīng)過(guò)檢測(cè)帶時(shí)，兩層銅片會(huì)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生較強(qiáng)的靜電，這就會(huì)影響系統(tǒng)，可能導(dǎo)致信號(hào)監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)；

第二個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題，出在兩層弧形的銅片上，這會(huì)使壓力檢測(cè)帶比較厚，就像開(kāi)車(chē)經(jīng)過(guò)減速帶時(shí)會(huì)顛簸一下，在比賽中，自行車(chē)高速通過(guò)這種凸起的檢測(cè)帶時(shí)也會(huì)帶來(lái)短暫的沖擊，導(dǎo)致自行車(chē)減速，這可能帶來(lái)很大的安全隱患，增加選手摔倒或受傷的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)競(jìng)速比賽也十分不利。

因此，我們亟需研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、而且更加先進(jìn)的高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的替代，這對(duì)于提高我國(guó)場(chǎng)地自行車(chē)賽核心競(jìng)爭(zhēng)力具有十分重要的意義。

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，關(guān)鍵是要突破高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)核心傳感元件的自主研制，包括高性能的壓力檢測(cè)帶、追蹤盒和啟動(dòng)發(fā)令控制臺(tái)和軟件系統(tǒng)等等。

要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，怎么做？

為了研制出更加先進(jìn)的壓力檢測(cè)帶，我們創(chuàng)新地利用了納米技術(shù)，設(shè)計(jì)了對(duì)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(wàn)倍，抗拉強(qiáng)度是鋼鐵的 100 倍，剛好可以解決壓力帶過(guò)厚的問(wèn)題。

接下來(lái)就要解決精準(zhǔn)性的問(wèn)題了。

為此，我們團(tuán)隊(duì)想了很多方法，最終，是小時(shí)候給我們帶來(lái)很多歡樂(lè)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(dòng)任何一根，都可能顯著影響整個(gè)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(chē)輪快速壓過(guò)時(shí)，在車(chē)輪下的方寸之間，千萬(wàn)根碳納米管就會(huì)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(dòng)。如此，我們就可以精準(zhǔn)記錄下自行車(chē)接觸到檢測(cè)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(jì)原理，下一步我們就可以通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)實(shí)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(zhǎng)期地反復(fù)探索、試錯(cuò)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(dòng)性可控，同時(shí)可以通過(guò)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?cè)偻ㄟ^(guò)不斷優(yōu)化印刷工藝，以及對(duì)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(guò)程中，敏感材料不會(huì)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(chē)輪快速壓過(guò)時(shí)，可以很好地提升檢測(cè)的精準(zhǔn)度，并且不會(huì)造成自行車(chē)減速，也大大提高了安全性。目前，我們這種柔性壓力檢測(cè)帶可以做到8米長(zhǎng)，并且能承受大于 100 萬(wàn)次、時(shí)速 90 公里的自行車(chē)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(guò)柔性封裝、接口設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了面向場(chǎng)地自行車(chē)追蹤計(jì)時(shí)的高精度柔性壓力檢測(cè)帶的批量化制備。

至此，我們完成了高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)研制的第一步。

接下來(lái)，我們將這種國(guó)際上首創(chuàng)的柔性壓力檢測(cè)帶，在北京的訓(xùn)練場(chǎng)館里的場(chǎng)地自行車(chē)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(dòng)健兒魚(yú)貫通過(guò)柔性壓力檢測(cè)帶的影像畫(huà)面——

將計(jì)數(shù)誤差控制在萬(wàn)分之一秒內(nèi)

我們研究工作的第二步，就是對(duì)這些柔性壓力檢測(cè)帶檢測(cè)到的信號(hào)，進(jìn)行快速、同步地傳輸和處理，這也是一個(gè)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(duì)，建立了分布式時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，將整個(gè)計(jì)數(shù)誤差控制在萬(wàn)分之一秒內(nèi)。

另外，場(chǎng)地自行車(chē)在高速騎行過(guò)程中，輪胎和地板會(huì)不斷摩擦，會(huì)累積大量電荷，與壓力帶接觸時(shí)會(huì)發(fā)生萬(wàn)伏以上的強(qiáng)放電，這會(huì)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(duì)外界可能產(chǎn)生的一些強(qiáng)干擾信號(hào)實(shí)現(xiàn)了無(wú)害化的處理，保證了數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性，同時(shí)保證了系統(tǒng)的安全性。

精準(zhǔn)控制出發(fā)器閘門(mén)打開(kāi)時(shí)間

在發(fā)令前，場(chǎng)地自行車(chē)由出發(fā)器控制，在發(fā)令倒計(jì)時(shí)時(shí)間到了以后，計(jì)時(shí)系統(tǒng)延遲 100 毫秒打開(kāi)出發(fā)器，運(yùn)動(dòng)員迅速作出反應(yīng)并出發(fā)。

這里涉及到高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)的第三個(gè)核心元件：?jiǎn)?dòng)發(fā)令控制臺(tái)。

在這個(gè)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)員的反應(yīng)速度對(duì)比賽成績(jī)至關(guān)重要。一般情況下，運(yùn)動(dòng)員會(huì)基于出發(fā)器的開(kāi)閘時(shí)間進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，從而形成肌肉記憶。

同時(shí)，這也要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)出發(fā)器時(shí)，要精確控制閘門(mén)的打開(kāi)時(shí)間，控制精度也要達(dá)到千分之一秒，否則，早了會(huì)造成“搶跑”，晚了會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。

閘門(mén)的打開(kāi)屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)，要將機(jī)械運(yùn)動(dòng)的精度控制在如此短的時(shí)間，難度非常大。我們聯(lián)合了重慶大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，利用高速攝像機(jī)結(jié)合高精度的控制算法，對(duì)閘門(mén)的打開(kāi)時(shí)間實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制，將誤差控制在萬(wàn)分之一秒內(nèi)。

綜合以上研究，我們通過(guò)學(xué)科交叉，與多個(gè)團(tuán)體合作，最后實(shí)現(xiàn)了突破 0.001 秒極限的高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)。

未來(lái)，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(guò)優(yōu)化力學(xué)模型和電學(xué)模型，進(jìn)一步提升柔性計(jì)時(shí)帶的壓力感知靈敏度，力爭(zhēng)把計(jì)時(shí)精度提升到微秒級(jí)別。

其實(shí)，這些技術(shù)不僅可以應(yīng)用在場(chǎng)地自行車(chē)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(shí)，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(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)誤差的縮小；通過(guò)智能算法、多技術(shù)聯(lián)用和網(wǎng)格化的布局，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)自行車(chē)位置和速度的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)感知，使場(chǎng)地自行車(chē)賽進(jìn)入全面的智能時(shí)代，使運(yùn)動(dòng)更加科學(xué)。

減小阻力，新材料還可以怎么用？

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

我們也在結(jié)合仿生學(xué)的設(shè)計(jì)來(lái)尋找降低自行車(chē)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(duì)，在風(fēng)洞中試驗(yàn)測(cè)量車(chē)架、車(chē)輪、車(chē)把、騎行服、頭盔以及每一名車(chē)手的騎行姿態(tài)，從這 6 個(gè)方面找出減少阻力的可能性。

我們借鑒了我國(guó)新疆庫(kù)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(dòng)，形成一種相對(duì)較平滑的阻力分布。這種分布可以使風(fēng)在通過(guò)沙壟的過(guò)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(jì)的靈感，我們?cè)趪?guó)際上首次設(shè)計(jì)制造出仿沙壟微納結(jié)構(gòu)減阻薄膜，結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)等理論，設(shè)計(jì)了針對(duì)自行車(chē)輪旋轉(zhuǎn)體和頭盔的獨(dú)特微納結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 3% 的減阻率。

同時(shí)，我們聯(lián)合北京師范大學(xué)-香港浸會(huì)大學(xué)聯(lián)合國(guó)際學(xué)院的蘇偉峰教授團(tuán)隊(duì)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)估計(jì)智能算法和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)等人工智能手段，高效、智慧地的分析運(yùn)動(dòng)影像，結(jié)合地面計(jì)時(shí)帶，形成了多維度、多模態(tài)的時(shí)空精準(zhǔn)判定，可以消除毫秒級(jí)的競(jìng)爭(zhēng)中的誤判。

我們希望，通過(guò)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(lái)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(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所特聘客座研究員 中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所所務(wù)委員

責(zé)編丨楊楊

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