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，納米科學家做了什麼？
2024 年 7 月 21 日，國家體育總局體育科學研究所特聘客座研究員、中國科學院蘇州納米所所務委員張珽在科普中國星空講壇“科學之眼看奧運”主題場帶來演講《0.001 秒的極限突破》。
以下是張珽的演講節選：
大家好，我是張珽，來自中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所。
我從事的研究方向是智能微納感覺材料與器件，簡單說，就是利用納米的材料和結構來研制高靈敏度、快速響應的智能傳感器件。
那麼，我們的傳感器是怎樣和奧運擦出火花的呢？
在現代奧運賽場上，每一毫秒甚至每一微秒都至關重要。尤其在場地自行車比賽中更是如此，因為當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，裡約奧運會場地自行車女子個人争先賽決賽中，德國選手就是以 0.004 秒的優勢獲得了金牌。是以說，在奧運賽場上，每突破千分之一秒都極為重要。
我們有一句口号：“為了千分之一秒，窮盡一切可能。”我們就是希望借助科技的力量，借助學科交叉，來突破這 0.001 秒的極限。
高精度計時系統，很有必要
對于場地自行車比賽來說，高精度計時系統非常必要。
目前，全球有兩套奧運認可的計時系統，都是被國外公司壟斷。由于國外計時系統針對賽事的設計，價格很昂貴，每套高達 200 多萬元人民币，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，且費時費力，回報速度慢。
高精度計時系統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，自行車經過檢測帶時，就會産生電信号，通過追蹤盒來接收并進行處理，由此實作計時。這類系統不但價格昂貴，也存在着很大的不足。
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作對自行車的壓力檢測。這就會導緻兩個至關重要的問題：
一個是材料方面的，因為自行車高速經過檢測帶時，兩層銅片會發生碰撞，産生較強的靜電，這就會影響系統，可能導緻信号監測不準；
第二個關鍵性的問題，出在兩層弧形的銅片上，這會使壓力檢測帶比較厚，就像開車經過減速帶時會颠簸一下，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，導緻自行車減速，這可能帶來很大的安全隐患，增加選手摔倒或受傷的風險，對競速比賽也十分不利。
是以，我們亟需研發具有自主知識産權、而且更加先進的高精度計時系統，來實作國産化的替代，這對于提高大陸場地自行車賽核心競争力具有十分重要的意義。
要實作這個目标，關鍵是要突破高精度計時系統核心傳感元件的自主研制，包括高性能的壓力檢測帶、追蹤盒和啟動發令控制台和軟體系統等等。
要實作目标，怎麼做？
為了研制出更加先進的壓力檢測帶，我們創新地利用了納米技術，設計了對壓力非常敏感的碳納米管複合材料。
碳納米管是一種非常獨特的導電納米材料，直徑比頭發絲細一萬倍，抗拉強度是鋼鐵的 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性的問題了。
為此，我們團隊想了很多方法，最終，是小時候給我們帶來很多歡樂的遊戲棒帶給了我們靈感。散落的遊戲棒可以互相搭接在一起形成網絡，你可以想象，如果碳納米管也這樣搭接在一起，形成這種網絡，挑動任何一根，都可能顯著影響整個網絡的性能。
精妙的材料複合工藝，使這種導電的碳納米管納米材料互相散落，交織成網絡，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生形貌變化和電學性能的變化，使導電網絡快速顯著地波動。如此，我們就可以精準記錄下自行車接觸到檢測帶的瞬間。
把碳納米管做成導電墨水
有了以上這種設計原理，下一步我們就可以通過反複試驗來實作高靈敏的柔性壓力傳感帶器件以及批量制備，這也是核心挑戰之一。為此，我們需要長期地反複探索、試錯還有疊代。
首先，我們把這種碳納米管分散在試劑裡，做成均一性的複合導電墨水，它的優點是均一性好、流動性可控，同時可以通過印刷或 3D 列印的方法，印制在很多柔性的襯底材料上面。
然後，我們再通過不斷優化印刷工藝，以及對柔性襯底材料的實體、化學性質的調控，讓這種柔性襯底和碳納米管複合材料薄膜之間具有非常強結合力，進而增加器件的穩定性，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，就像一張紙那麼薄。是以，當車輪快速壓過時，可以很好地提升檢測的精準度，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 公裡的自行車反複碾壓。
在此基礎上，我們進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、接口設計，最終實作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研制的第一步。
接下來，我們将這種國際上首創的柔性壓力檢測帶，在北京的訓練場館裡的場地自行車賽道上進行了分布式的布局，數量有7條以上，這是運動健兒魚貫通過柔性壓力檢測帶的影像畫面——
将計數誤差控制在萬分之一秒内
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号，進行快速、同步地傳輸和處理，這也是一個挑戰。
為此，我們聯合了重慶大學鐘代笛、黃智勇教授團隊，建立了分布式時間同步網絡，将整個計數誤差控制在萬分之一秒内。
另外，場地自行車在高速騎行過程中，輪胎和地闆會不斷摩擦，會累積大量電荷，與壓力帶接觸時會發生萬伏以上的強放電，這會極大影響資訊采集的精準性以及系統的安全性。
于是，我們采用了精準放電、硬體隔離以及軟體濾波等多種方式，對外界可能産生的一些強幹擾信号實作了無害化的處理，保證了資料采集的精準性，同時保證了系統的安全性。
精準控制出發器閘門打開時間
在發令前，場地自行車由出發器控制，在發令倒計時時間到了以後，計時系統延遲 100 毫秒打開出發器，運動員迅速作出反應并出發。
這裡涉及到高精度計時系統的第三個核心元件：啟動發令控制台。
在這個過程中，運動員的反應速度對比賽成績至關重要。一般情況下，運動員會基于出發器的開閘時間進行反複訓練，進而形成肌肉記憶。
同時，這也要求我們在設計出發器時，要精确控制閘門的打開時間，控制精度也要達到千分之一秒，否則，早了會造成“搶跑”，晚了會影響運動員的成績。
閘門的打開屬于機械運動，要将機械運動的精度控制在如此短的時間，難度非常大。我們聯合了重慶大學的團隊，利用高速錄影機結合高精度的控制算法，對閘門的打開時間實作了精準控制，将誤差控制在萬分之一秒内。
綜合以上研究，我們通過學科交叉，與多個團體合作，最後實作了突破 0.001 秒極限的高精度計時系統。
未來，我們還将繼續優化，比如引入更精妙的微納結構，通過優化力學模型和電學模型，進一步提升柔性計時帶的壓力感覺靈敏度，力争把計時精度提升到微秒級别。
其實，這些技術不僅可以應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覺技術。
同時，我們基于納米技術的這種柔性智能感覺技術，可以更深入地協同資訊采集、傳輸和處理系統，來實作計數誤差的縮小；通過智能算法、多技術聯用和網格化的布局，來實作對自行車位置和速度的實時、精準感覺，使場地自行車賽進入全面的智能時代，使運動更加科學。
減小阻力，新材料還可以怎麼用？
其實，新材料和新技術在奧運賽場上的應用，不止于此。
我們也在結合仿生學的設計來尋找降低自行車阻力的可能性，并且已經取得了一定的進展。
我們聯合西北工業大學苑偉政教授、何洋教授團隊，在風洞中試驗測量車架、車輪、車把、騎行服、頭盔以及每一名車手的騎行姿态，從這 6 個方面找出減少阻力的可能性。
我們借鑒了大陸新疆庫姆塔格沙漠獨有的舌形分形沙壟結構，沙壟表面的起伏規律能夠影響風的流動，形成一種相對較平滑的阻力分布。這種分布可以使風在通過沙壟的過程中，保持較高的流速和流量，進而減少阻力和能量損失。
基于這種仿生設計的靈感，我們在國際上首次設計制造出仿沙壟微納結構減阻薄膜，結合空氣動力學等理論，設計了針對自行車輪旋轉體和頭盔的獨特微納結構，實作了 3% 的減阻率。
同時，我們聯合北京師範大學-香港浸會大學聯合國際學院的蘇偉峰教授團隊，通過運動估計智能算法和計算機視覺技術等人工智能手段，高效、智慧地的分析運動影像，結合地面計時帶，形成了多元度、多模态的時空精準判定，可以消除毫秒級的競争中的誤判。
我們希望，通過多學科的交叉，結合納米技術、仿生技術以及 AI 技術等等，來搭建最精準的鐘，讓比賽更加公平，也為奧運健兒“更快、更高、更強”貢獻一份力量。
策劃制作
作者丨張珽 國家體育總局體育科學研究所特聘客座研究員 中國科學院蘇州納米所所務委員
責編丨楊楊
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