今年東京奧運會上，蘇炳添以9秒83的百米亞洲紀(jì)錄締造者的身份，進入了人們的視線。
“蘇神”的名號，一時傳遍了大江南北。
其實，除了奧運會百米運動員之外，蘇炳添還有另外兩個身份：暨南大學(xué)體育學(xué)院副教授以及北京體育大學(xué)2019級博士研究生。
此前備戰(zhàn)奧運會期間還在寫博士論文的蘇炳添，之前已經(jīng)發(fā)表過數(shù)篇短跑方面的論文，研究內(nèi)容主要是“蘇炳添為什么跑這么快”。
最近，在告別全運會征程之后，蘇炳添回歸家庭享受了一個短暫假期，隨后又開啟了工作模式。
暨南大學(xué)官方錄制的一段有關(guān)蘇炳添上課的視頻中，除了在運動場和力量室里的教學(xué)外，在戶外運動場，蘇炳添先是演示跨欄動作，雙臂張開平行，隨即跨欄，后續(xù)還有鉆欄的動作，然后讓學(xué)生一一做出來，蘇炳添則在一旁監(jiān)督糾正。
除了教學(xué)之外，蘇炳添與國家體育總局體育科學(xué)研究所/北京體育大學(xué)陳小平、暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院李風(fēng)煜教授等人合作，從運動員訓(xùn)練中對各種體征信號采集、分析的需求出發(fā)，綜述了近些年來柔性電子、光電集成傳感器的最新研究進展，介紹了不同種類的運動信號檢測方法，包括生物電位信號監(jiān)測、電化學(xué)傳感監(jiān)測、光電容積描記法監(jiān)測等。
相關(guān)論文也以“科學(xué)訓(xùn)練輔助：柔性可穿戴傳感器運動監(jiān)測應(yīng)用”為題，發(fā)表在《中國科學(xué): 信息科學(xué)》上。
在論文中，作者主要討論了基于電生理信號監(jiān)測、基于光電感知的體征監(jiān)測和基于電化學(xué)生物傳感監(jiān)測三類。
在基于電生理信號監(jiān)測中，我們就來看看其中的一類，即肌肉電信號。
肌肉電信號采集的原理主要通過體表附著電極，進行對肌肉系統(tǒng)的神經(jīng)細胞所產(chǎn)生的電生理信號的監(jiān)測。通過監(jiān)測運動過程中的肌肉電信號變化，可以對肌肉疲勞發(fā)出預(yù)警，從而調(diào)整運動員的訓(xùn)練方法以及訓(xùn)練量。
在電極與皮膚的貼合性問題上，新加坡國立大學(xué)的歐陽建勇教授引入基于山梨醇修飾的PEDOT:PSS與水性聚氨酯復(fù)合的有機干電極薄膜，即使皮膚處于濕潤條件下，電極仍能與皮膚實現(xiàn)良好貼合。也就是說，即使在運動出汗過程中，該電極仍能采集到高質(zhì)量的肌電信號。
為實現(xiàn)便攜式的實時監(jiān)測肌電信號，佐治亞理工學(xué)院的Woon-Hong Yeo教授提出了基于石墨烯、銀、聚酰亞胺等多種納米材料合成制備可拉伸的傳感器。該方法打印制備的柔性電極能夠與皮膚形成良好的貼合，在循環(huán)多次使用情況下，仍然能夠采集具有高質(zhì)量的信號。
除此之外，新加坡南洋理工大學(xué)的陳曉東教授采用水凝膠與TPU-Au導(dǎo)電復(fù)合材料制備的電極，具有機械柔軟性以及高導(dǎo)電性，可以在運動電生理信號的監(jiān)測獲得質(zhì)量穩(wěn)定的信號，電極在150次循環(huán)使用后，采集信號的信噪比仍保持在45dB，即具有極佳的耐疲勞性。
通過上面的討論可以看出，通過開發(fā)新型導(dǎo)電材料，制備柔性電極，可解決肌肉電信號監(jiān)測中器件集成與貼附的問題，也有助于更靈敏、便捷、可穿戴、可附著式傳感設(shè)備的開發(fā)。
在基于光電感知的體征監(jiān)測中，可以分為心率、心率變異性和血氧飽和度。
作為人體最重要的人體體征信息之一，心率的監(jiān)測方法主要包括基于ECG黃金標(biāo)準(zhǔn)法和基于PPG原理的方法。
在針對心率監(jiān)測方法的改進上，香港中文大學(xué)的趙鈮教授基于有機光電晶體管和無機LED摻雜，研制了超薄柔性近紅外光表皮電容積脈搏波傳感器，首次搭建了柔性生物傳感器的生理信號檢測平臺，主要解決運動過程中產(chǎn)生的運動偽影導(dǎo)致采集光電信號數(shù)據(jù)失真的問題。
西北大學(xué)Rogers教授團隊研發(fā)了一種柔性平臺的材料和設(shè)備，在指甲片上安裝柔性薄膜光電傳感器，集成光電功能進行光電容積圖的無線捕獲和傳輸，采用帶有雙層環(huán)形天線的多層布局，可最大限度地提高能量收集效率和無線數(shù)據(jù)通信的距離，進行心率等生理信號的實時監(jiān)測。與商業(yè)手環(huán)相比，該器件貼合指甲，足以減少運動偽影導(dǎo)致的信號衰減問題，準(zhǔn)確性較高。
隨著AI和深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用，Motin MA等人提出了一種在高強度運動條件下，基于PPG原理下得到心率情況。該研究主要是提出一種基于維納濾波的算法，在高強度運動情況下，從PPG信號進行提取信號，并估算此時心率情況。在實驗組對比中，該算法得出最終的錯誤率僅為1.78%。
基于電化學(xué)生物傳感監(jiān)測可以分為乳酸和葡萄糖。
針對可穿戴傳感器而言，乳酸的主要檢測方法有兩種：基于光學(xué)感知與基于電化學(xué)生物傳感。
加州大學(xué)Wenzhao Jia等人第一個提出基于柔性打印的紋身電極電化學(xué)傳感器用于汗液乳酸的檢測，由于無創(chuàng)的乳酸檢測對實際運動比賽具有重要意義，引起了世界各國科研工作者廣泛研究。
加州大學(xué)伯克利分校的高偉教授提出了一種實時可穿戴汗液分析傳感陣列（ flexible integrated sensing array, FISA)，該傳感陣列可以實現(xiàn)選擇性篩選汗液中的各種代謝物以及電解質(zhì)，將乳酸氧化酶固定在殼聚糖滲透膜上，通過傳感器產(chǎn)生的電流與代謝產(chǎn)物成比例關(guān)系，進行乳酸濃度分析。該傳感陣列的抗干擾能力較強，在外界情況的影響下依舊能夠保持較好的機械性能和穩(wěn)定性。
加州大學(xué)的Joseph Wang教授開發(fā)了一種集成多功能眼鏡傳感器，可以實時地對人活動過程中汗液中的電解質(zhì)和代謝產(chǎn)物檢測。通過將乳酸傳感器集成到眼鏡的鼻梁墊中，從而實現(xiàn)對運動過程中的乳酸監(jiān)測。在運動過程期間，可以通過無線的模塊實時傳送數(shù)據(jù)。
澳大利亞莫納什大學(xué)程文龍教授提出了一種可穿戴智能紡織乳酸生物傳感器，該傳感器可以集成到運動裝備，從而實現(xiàn)全方位長時間的監(jiān)測。該傳感器在人工汗液中檢測靈敏度為14.6μA/mMcm2。另外，可以在高達100%的高拉伸應(yīng)變情況下，傳感器性能仍然保持不變。
美國西北大學(xué)A. Rogers等人開發(fā)了一種柔性微流控多功能比色汗液檢測平臺，該平臺除了可以實現(xiàn)汗液中的乳酸監(jiān)測，還可以進行汗液溫度監(jiān)測、出汗率、氯離子和葡萄糖的檢測。該平臺特點是對收集汗液的毛細破裂閥進行優(yōu)化，使汗液流通到各個的微通道中，實現(xiàn)平臺在各物質(zhì)檢測與監(jiān)測互 不干擾。
競技體育是國家重點的發(fā)展方面，也是發(fā)展水平的核心競爭所在。
現(xiàn)代的競技體育訓(xùn)練方面不斷地提高，尤其是隨著智能化的應(yīng)用，很多設(shè)備都可以在體育行業(yè)當(dāng)中得到利用。正如論文中涉及的各種設(shè)備，通過分析大數(shù)據(jù)，可以監(jiān)控運動員的各項生理指標(biāo)，還可以預(yù)測運動員在訓(xùn)練過程當(dāng)中可能存在的風(fēng)險，可以進行合理的規(guī)避。
蘇炳添提出，科學(xué)化運動訓(xùn)練需要一個完整的運動監(jiān)控系統(tǒng)。這個系統(tǒng)需要多種柔性可穿戴運動傳感器的整合，具備運動訓(xùn)練生理指標(biāo)監(jiān)測、運動技術(shù)戰(zhàn)術(shù)分析、運動心理情況分析、運動損傷預(yù)測等功能。
該平臺的研發(fā)將有望解決運動員運動訓(xùn)練需要多臺監(jiān)控設(shè)備、多位技術(shù)人員等問題，降低了成本和時間投入。
科學(xué)化運動訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展將會成為競技體育成績突破的新科技，助力運動員取得新突破，為青少年運動員培養(yǎng)與優(yōu)秀運動員選拔提供更精細、準(zhǔn)確的參考與指導(dǎo)，推動我國“體育強國建設(shè)”。
本文來自微信公眾號“大數(shù)據(jù)文摘”（ID:BigDataDigest），作者：Caleb，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
