潘展乐"人类做不到"的秘密武器,是科技吗?
► 文 观察者网专栏作者 潘禺
在高强度的兴奋剂检测和“人类做不到”的质疑声中,潘展乐继男子100米自由泳决赛“飞鱼大战”中以46秒40打破由自己保持的世界纪录夺冠后,又在男子4x100米混合泳接力决赛中,分段游出了45秒92的成绩。
潘展乐创造的纪录,不仅是心理与生理上对自我的极限挑战,也是科技进步在体育领域应用的一个缩影。现代竞技体育离不开科技的辅助,从运动装备的减阻设计,到营养补给的精准配比,再到运动数据的科学分析,在这些加持下,一次次不可思议的零点几秒提升,人类可以做到。
Youtube上一位博主分析了潘展乐的游泳,试图尽可能理解潘展乐的成功:
首先注意他是怎么呼吸的,可以看到他的整个头顶都在水面以上,而他的下半部分则完全在水下。慢动作下,当他呼吸时,如果沿着头的侧面画一条线,可以看到一条头线和一条水线,这两条线几乎是平行的,因为他保持一只眼睛在水面上,另一只眼在水下。
从侧面角度还可以观察到他每次划水的距离,划水次数不多,但划水距离都很远,这让他在整个100米的比赛过程中都能保持高效——前50米游了22秒多一点,但后50米仍游出了24秒。要保持这个速度必须要有非常好的划水距离。
分析他的踢水,他的踢水简直像台踢水机器,像涡轮增压、水上摩托,这让他可以游得飞快。强力踢水使他手臂划水、抓水和拉水更加有效。他的踢水力量大到几乎听不到声音。现在看来,潘展乐的秘密武器都是拜他的踢水所赐,踢水不够强力使不出来这招。
对潘展乐的这一招,博主称之为“强力踢水驱动的交替平板支撑”。强大的踢水让他几乎每次划水都能保持悬浮状态,手臂伸展时几乎是暂停的,当他手臂伸展时,踢水让他悬浮在水面上,几乎就像是交替平板支撑。由踢水所驱动的核心稳定性,就像涡轮增压,如果不能这么强力地踢水,他就无法保持手臂的长时间伸展。
跟旁边泳道的选手相比,其他人都是很快就放下手臂进入抓水阶段,而潘展乐有一个非常轻微的停顿。轻微的停顿使他可以在平板支撑中保持一条直线。
这位博主的分析很有价值,为我们理解潘展乐的成绩,提供了一定的理性参照。其实,为了分析运动员的游泳状态,现代科技已经用到了技术高超的装备和高深的数学知识,能发现许多视频里看不到的信息。
潘展乐独特的“秘密武器”,很可能是科学训练的结果。如今,在各类竞技体育中,为了提高运动员比赛成绩,科技手段的应用越来越广泛,游泳运动的竞技已经越来越变成一场科技竞赛。
比如,AI技术被用于赛前训练,通过分析运动员的动作和表现,提供精准的反馈和改进建议。中国国家篮球队利用商汤科技的AI智慧篮球产品进行训练。在跳水比赛中,计算机视觉系统被用来全程追踪运动员的位置,并生成3D图像及入水速度等数据,部分数据直接用于比赛的判罚。
以不断突破人类极限而引起争议的游泳项目来看,科技手段的作用就更明显。游泳运动员已经用上了时髦的AI技术,用AI+VR,通过AI辅助姿态分析和VR模拟赛场环境来提高表现。
而最常见的办法,是使用可穿戴设备来监测心率和运动表现数据。藏在运动员泳帽里的可穿戴设备,可以及时采集运动员每个强度下的心率和运动表现数据,对运动员、教练员以及科研团队更加直观地了解运动能力提供针对性帮助。
中国游泳队的背后就有一支科研团队。从冬训到本届奥运赛前,科研团队已经拍摄了几千个视频研究运动员的表现。除日常工作,驻队人员晚上还要一对一给运动员讲技术、改技术。国家游泳队科研团队发现,国家队很多运动员真正落后并不是在游程上,而是在出发转身,这些在教练员或运动员看来都是不起眼的细节问题。
可穿戴设备的普及,是科技水平进一步提高后,水到渠成的结果。国家游泳队科研团队负责人程燕就表示:“这几年,可穿戴设备越来越小,也给运动员更舒适的穿戴体验,通过设备采集可以精准观察50米、200米、1500米等各个阶段的状态,实时了解运动员的身体反应,为我们及时反馈训练数据,有的放矢帮助运动员了解自身短板、调整状态。”
助力游泳健儿夺金的,还有航天科技。对火箭或洲际导弹上的惯导系统,中国科学家加以了“紧凑”改良,来测量运动员在训练时的各种运动信息,帮助教练团队优化技术动作、减小阻力,提高运动成绩。
一个体育界之外你意想不到的单位,中国航天科技集团,利用其在惯性测量与导航等领域的技术优势,为中国游泳运动员研发了智能测量与数字训练系统。
当导航卫星的信号不可用时,洲际弹道导弹要击中目标,就要依赖“惯性制导系统”,里面用到复杂的陀螺仪来跟踪导弹的运动状态、确定方位和导弹所处的位置,非常笨重。科学家将高精度陀螺仪的重量减轻到十几克,变成运动员能直接穿戴的姿态测量装置,可以舒适地配戴在肩膀和其他关节区域。
中国航天科技集团为游泳训练带来的另一项技术是风洞。风洞被用于模拟游泳过程中所受的流场,测试不同技术动作姿态和阻力,为运动员提供科学的参考。戴上姿态测量装置后,游泳运动员被放置在风洞中,他们在逆风中“模拟游泳”时,科学家进行数据跟踪并计算。风洞试验通常用于研发飞机或导弹,但却被中国航天科技集团用于训练游泳和赛艇运动员。东京奥运会上勇夺金牌的中国赛艇队,也在训练中使用了风洞。
训练系统的设备当然重要,但其作用也仅是更好的数据采集。最难的地方在于,如何通过数据分析出这样的结论并提示运动员,这些结论又是否有效,比如:这是你向右呼吸的地方,但你抬头抬得有点太多了。
美国人提高游泳运动员的成绩,也大量使用传感器,而在数据分析上,数学家都参与了进来。从数学上看,当运动员划水时,他们产生的力指向游泳的不同方向。使用线性代数,可以计算每个方向的百分比。由于运动员的身体一直在运动,如何确定力实际上是朝着游泳的方向去的,就是最大的挑战。
数学的用武之地在于,加速度计非常敏感,数据嘈杂,如何平滑数据以抑制噪声,需要深入的数学理论。找出平滑嘈杂数据的正确方法,所需要的复杂数学,这正是美国科学团队的保密技术。
美国数学家肯·奥诺的目标是帮助分析和提高一些美国最佳游泳运动员的表现,其基础也是测量加速度、减速度和阻力。据他介绍,在最初的摸索阶段,条件简陋,他们的做法也显得业余。他用保鲜膜和为追踪鲨鱼设计的加速度计,从海洋技术公司购买设备。借助保鲜膜,他把传感器紧紧地包裹在运动员的腰上。有些游泳运动员太强壮了,保鲜膜无法固定,他就用妻子做的特殊皮带,上面有一个小口袋用来放传感器。一些传感器对光非常敏感。所以不得不制作一些小塑料UV罩来保护它们。
通过高清视频、加速度计和力桨,他记录下运动员的游泳数据。他测试运动员在不同节奏下踢腿时如何游泳,测试他们的灵活性,在完成特定任务后他们有多累,以更好了解他们的能力。游泳测试期间,他会测量运动员的腿、臀部摆动和手在三维空间中产生的力。
高清视频通常每秒只能捕捉24个截图,但每个传感器每秒能提供512个力向量,揭示视频看不到的东西。比如,运动员可能在离泳池端壁三划的地方改变踢腿的执行方式,导致他们浪费时间,但用眼睛是看不到这一点的。
测试能寻找到运动员无缘无故减速的地方。比如,一些运动员在到达端壁执行转身动作的过程中很挣扎,又比如一些运动员可能需要纠正他们的头部位置,因为在水下滑行时他们实际上并不游泳。在奥运会和世锦赛中,比赛可能取决于百分之一秒,这些事都很重要。
科技和数学不会撒谎,也不会让运动员自欺欺人。根据大量的测量结果,在四种泳姿——自由泳、蛙泳、蝶泳和仰泳中,没有任何人的效率超过60%,这听起来似乎不可思议。测量美国奥运选手佩奇·马登划水和恢复时手的路径后,计算发现,她游泳的第一圈中,右手产生的力有59.1%是在推动她向她想去的方向前进,但到了第八圈,只有42.1%的力量在推动她前进。她不仅更累了,而且她的动作执行已经开始瓦解。
通过线性代数的知识和洞见,肯·奥诺团队给了佩奇·马登一些如何以不同方式游泳的提示,第二天,在第八圈,她达到了接近50%。一个月后,她游出了个人最好成绩。佩奇·马登获得了2024年巴黎奥运会女子4X200米自由泳接力亚军、女子800米自由泳季军。
基于这些捕捉到的运动数据,美国的科学团队会构建运动员的“数字孪生”,可以理解为复杂系统和过程的数学模型,可以在计算机中模拟运动员在不同条件下的比赛。肯·奥诺团队收集了100多名美国顶级运动员的数千次游泳数据。他们可以把数字孪生的比赛数据与数据库进行比较,进行调整,并组装出运动员应该使用的最佳公式,比如,从跳水开始时踢多少次腿,进入转身时手的位置在哪里,呼吸多少次,又以什么模式。这是为每个运动员量身定制的。
数字孪生之间的模拟比赛,还会树立运动员的信心,数字竞争对手一开始会领先,但后期会放慢速度,运动员会赶上。这会给受训的美国运动员一种额外的自信,好像他们不会输,在他们心中认为,如果我按照那个公式游泳,我就赢了比赛,会一直赢。
不过,据潘展乐说,虽然他距离真正标准的技术还差很多,没想到老外“比我还差”,“他们那种死肌肉没用”。
最后,还应该思考一下,物理手段的科技是否影响了体育竞赛的公平性。
体育竞赛的核心原则之一是公平竞争。兴奋剂的使用打破了运动员之间的自然平衡,并可能对运动员的健康造成严重损害。
物理手段(如运动器材、训练设备、运动服装等)在一定程度上被允许,是因为它们可以被视为运动员训练和比赛的辅助工具,不仅相对容易监管和控制,也没有像兴奋剂那样,直接作用于人体生理机能,而是需要运动员的技能和体能来实现性能提升,符合运动员通过训练和天赋来提升表现的体育精神。
兴奋剂问题一直是游泳项目的争议点,如果说,公众的注意力被化学手段这类科技的“黑暗力量”吸引,更多关注了与之有关的种族歧视、大国博弈、话语争夺等焦点,那么数学、物理手段等科技的“光明力量”,可能处于一个被忽视的战场。
随着算力的发展、人工智能技术的进步,科学方法一定会继续刷新人类速度极限,奥运会也必然成为大国科技竞争的舞台。