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一位纳米材料研究者，为啥会和场地自行车擦出火花？
来源：互联网
2024-11-12 00:18:51 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
在场地自行车赛场上，为了突破 0.0001 秒的极限，为了让比赛更公平，纳米科学家做了什么？
2024 年 7 月 21 日，国家体育总局体育科学研究所特聘客座研究员、中国科学院苏州纳米所所务委员张珽在科普中国星空讲坛“科学之眼看奥运”主题场带来演讲《0.001 秒的极限突破》。
以下是张珽的演讲节选：
大家好，我是张珽，来自中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所。
我从事的研究方向是智能微纳感知材料与器件，简单说，就是利用纳米的材料和结构来研制高灵敏度、快速响应的智能传感器件。
那么，我们的传感器是怎样和奥运擦出火花的呢？
在现代奥运赛场上，每一毫秒甚至每一微秒都至关重要。尤其在场地自行车比赛中更是如此，因为当代的场地自行车速度可以超过每秒 20 米，而顶尖选手之间的差距往往就在毫秒之差。
比如在 2016 年，里约奥运会场地自行车女子个人争先赛决赛中，德国选手就是以 0.004 秒的优势获得了金牌。所以说，在奥运赛场上，每突破千分之一秒都极为重要。
我们有一句口号：“为了千分之一秒，穷尽一切可能。”我们就是希望借助科技的力量，借助学科交叉，来突破这 0.001 秒的极限。
高精度计时系统，很有必要
对于场地自行车比赛来说，高精度计时系统非常必要。
目前，全球有两套奥运认可的计时系统，都是被国外公司垄断。由于国外计时系统针对赛事的设计，价格很昂贵，每套高达 200 多万元人民币，操作起来需要多人配合，而且目前的功能还不能满足教练员和训练员的个性化的需求。同时，我们国家队还停留在手动掐表或录像解析的方法，不仅精度低，且费时费力，反馈速度慢。
高精度计时系统的工作原理是怎样的呢？它是在赛道中安装了压力的检测带，自行车经过检测带时，就会产生电信号，通过追踪盒来接收并进行处理，由此实现计时。这类系统不但价格昂贵，也存在着很大的不足。
比如压力检测带，目前国外是利用两层弧形的铜片，通过接触和分离来实现对自行车的压力检测。这就会导致两个至关重要的问题：
一个是材料方面的，因为自行车高速经过检测带时，两层铜片会发生碰撞，产生较强的静电，这就会影响系统，可能导致信号监测不准；
第二个关键性的问题，出在两层弧形的铜片上，这会使压力检测带比较厚，就像开车经过减速带时会颠簸一下，在比赛中，自行车高速通过这种凸起的检测带时也会带来短暂的冲击，导致自行车减速，这可能带来很大的安全隐患，增加选手摔倒或受伤的风险，对竞速比赛也十分不利。
因此，我们亟需研发具有自主知识产权、而且更加先进的高精度计时系统，来实现国产化的替代，这对于提高我国场地自行车赛核心竞争力具有十分重要的意义。
要实现这个目标，关键是要突破高精度计时系统核心传感元件的自主研制，包括高性能的压力检测带、追踪盒和启动发令控制台和软件系统等等。
要实现目标，怎么做？
为了研制出更加先进的压力检测带，我们创新地利用了纳米技术，设计了对压力非常敏感的碳纳米管复合材料。
碳纳米管是一种非常独特的导电纳米材料，直径比头发丝细一万倍，抗拉强度是钢铁的 100 倍，刚好可以解决压力带过厚的问题。
接下来就要解决精准性的问题了。
为此，我们团队想了很多方法，最终，是小时候给我们带来很多欢乐的游戏棒带给了我们灵感。散落的游戏棒可以相互搭接在一起形成网络，你可以想象，如果碳纳米管也这样搭接在一起，形成这种网络，挑动任何一根，都可能显著影响整个网络的性能。
精妙的材料复合工艺，使这种导电的碳纳米管纳米材料相互散落，交织成网络，自行车轮快速压过时，在车轮下的方寸之间，千万根碳纳米管就会发生形貌变化和电学性能的变化，使导电网络快速显著地波动。如此，我们就可以精准记录下自行车接触到检测带的瞬间。
把碳纳米管做成导电墨水
有了以上这种设计原理，下一步我们就可以通过反复试验来实现高灵敏的柔性压力传感带器件以及批量制备，这也是核心挑战之一。为此，我们需要长期地反复探索、试错还有迭代。
首先，我们把这种碳纳米管分散在试剂里，做成均一性的复合导电墨水，它的优点是均一性好、流动性可控，同时可以通过印刷或 3D 打印的方法，印制在很多柔性的衬底材料上面。
然后，我们再通过不断优化印刷工艺，以及对柔性衬底材料的物理、化学性质的调控，让这种柔性衬底和碳纳米管复合材料薄膜之间具有非常强结合力，从而增加器件的稳定性，这样在弯曲和使用的过程中，敏感材料不会从柔性基底上表面脱落。由此，我们得到了这种轻薄、柔软的新型柔性压力传感器。
它的厚度仅有 0.3 毫米，就像一张纸那么薄。因此，当车轮快速压过时，可以很好地提升检测的精准度，并且不会造成自行车减速，也大大提高了安全性。目前，我们这种柔性压力检测带可以做到8米长，并且能承受大于 100 万次、时速 90 公里的自行车反复碾压。
在此基础上，我们进一步攻克了柔性压力传感器批量一体化成型等难题，再通过柔性封装、接口设计，最终实现了面向场地自行车追踪计时的高精度柔性压力检测带的批量化制备。
至此，我们完成了高精度计时系统研制的第一步。
接下来，我们将这种国际上首创的柔性压力检测带，在北京的训练场馆里的场地自行车赛道上进行了分布式的布局，数量有7条以上，这是运动健儿鱼贯通过柔性压力检测带的影像画面——
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将计数误差控制在万分之一秒内
我们研究工作的第二步，就是对这些柔性压力检测带检测到的信号，进行快速、同步地传输和处理，这也是一个挑战。
为此，我们联合了重庆大学钟代笛、黄智勇教授团队，建立了分布式时间同步网络，将整个计数误差控制在万分之一秒内。
另外，场地自行车在高速骑行过程中，轮胎和地板会不断摩擦，会累积大量电荷，与压力带接触时会发生万伏以上的强放电，这会极大影响信息采集的精准性以及系统的安全性。
于是，我们采用了精准放电、硬件隔离以及软件滤波等多种方式，对外界可能产生的一些强干扰信号实现了无害化的处理，保证了数据采集的精准性，同时保证了系统的安全性。
精准控制出发器闸门打开时间
在发令前，场地自行车由出发器控制，在发令倒计时时间到了以后，计时系统延迟 100 毫秒打开出发器，运动员迅速作出反应并出发。
这里涉及到高精度计时系统的第三个核心元件：启动发令控制台。
在这个过程中，运动员的反应速度对比赛成绩至关重要。一般情况下，运动员会基于出发器的开闸时间进行反复训练，从而形成肌肉记忆。
同时，这也要求我们在设计出发器时，要精确控制闸门的打开时间，控制精度也要达到千分之一秒，否则，早了会造成“抢跑”，晚了会影响运动员的成绩。
闸门的打开属于机械运动，要将机械运动的精度控制在如此短的时间，难度非常大。我们联合了重庆大学的团队，利用高速摄像机结合高精度的控制算法，对闸门的打开时间实现了精准控制，将误差控制在万分之一秒内。
综合以上研究，我们通过学科交叉，与多个团体合作，最后实现了突破 0.001 秒极限的高精度计时系统。
未来，我们还将继续优化，比如引入更精妙的微纳结构，通过优化力学模型和电学模型，进一步提升柔性计时带的压力感知灵敏度，力争把计时精度提升到微秒级别。
其实，这些技术不仅可以应用在场地自行车赛上，包括击剑、拳击等等这些体育赛事中，都可以用到这种柔性智能感知技术。
同时，我们基于纳米技术的这种柔性智能感知技术，可以更深入地协同信息采集、传输和处理系统，来实现计数误差的缩小；通过智能算法、多技术联用和网格化的布局，来实现对自行车位置和速度的实时、精准感知，使场地自行车赛进入全面的智能时代，使运动更加科学。
减小阻力，新材料还可以怎么用？
其实，新材料和新技术在奥运赛场上的应用，不止于此。
我们也在结合仿生学的设计来寻找降低自行车阻力的可能性，并且已经取得了一定的进展。
我们联合西北工业大学苑伟政教授、何洋教授团队，在风洞中试验测量车架、车轮、车把、骑行服、头盔以及每一名车手的骑行姿态，从这 6 个方面找出减少阻力的可能性。
我们借鉴了我国新疆库姆塔格沙漠独有的舌形分形沙垄结构，沙垄表面的起伏规律能够影响风的流动，形成一种相对较平滑的阻力分布。这种分布可以使风在通过沙垄的过程中，保持较高的流速和流量，从而减少阻力和能量损失。
基于这种仿生设计的灵感，我们在国际上首次设计制造出仿沙垄微纳结构减阻薄膜，结合空气动力学等理论，设计了针对自行车轮旋转体和头盔的独特微纳结构，实现了 3% 的减阻率。
同时，我们联合北京师范大学-香港浸会大学联合国际学院的苏伟峰教授团队，通过运动估计智能算法和计算机视觉技术等人工智能手段，高效、智慧地的分析运动影像，结合地面计时带，形成了多维度、多模态的时空精准判定，可以消除毫秒级的竞争中的误判。
我们希望，通过多学科的交叉，结合纳米技术、仿生技术以及 AI 技术等等，来搭建最精准的钟，让比赛更加公平，也为奥运健儿“更快、更高、更强”贡献一份力量。
策划制作
作者丨张珽 国家体育总局体育科学研究所特聘客座研究员 中国科学院苏州纳米所所务委员
责编丨杨杨
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