國際競技訓練領域內可穿戴設備的應用及未來發展趨勢

馬 冉，劉宏超

（山西師范大學 體育學院，山西 臨汾041004）

2019年，由中國體育科學學會主辦的第十一屆全國體育科學大會在南京大學召開，此次大會的主題為“體育發展的科技力量”。在全面推進“健康中國”這一戰略背景之下，為備戰東京奧運會、北京冬奧會、卡塔爾世界杯預選賽三大任務，體育學領域各位專家學者到會交流，共同促進學術的發展。從此次會議的成功舉辦可以發現，科技力量在體育領域當中的應用與發展將成為未來很長一段時間內的主流趨勢［1］。在現代科學技術飛速發展的今天，科學技術在各個行業的應用及影響力不容忽視。在體育領域當中，奧運會等大型賽事的比拼，離不開科學技術的強力后備支撐。不論是2006年劉翔打破110米欄世界紀錄，還是北京奧運會美國游泳運動員菲爾普斯豪取8金，科技的支撐力量不可忽視。尤其是在當前大數據時代下，人工智能的長足發展與應用，使得可穿戴設備的應用更加廣泛與普及。

可穿戴技術這一概念最早是由20世紀60年代的麻省理工學院（MIT）實驗室中提出的一項創新技術，是為實現智能與生物科學以及技術相融合的概念，通過電腦芯片、操作系統、傳感器、無線通訊、數據儲存與分析等多元合作實現人工智能的交互［2］。并且可穿戴設備在早期出現時的定位也只是一種概念性產品，直至2012年谷歌（Google）眼鏡的發布，被普遍認為是“可穿戴設備元年”［3］，自此之后，蘋果公司也在2014年國際消費電子展覽發布了Apple Watch等產品，許多可穿戴設備公司逐漸發展壯大，可穿戴設備的開發與應用呈現蓬勃之勢。結合互聯網以及物聯網的出現，可穿戴設備應用的理論基礎以及技術支撐也得到了廣闊的發展空間，可穿戴設備應用于工程制造、醫療衛生、大眾健康等多個領域中，同時也應用于競技訓練的監控當中。許多科學技術借助體育的場景進行研發實驗的開展，完成科學技術的進步；與此同時，體育領域內的技術進步也因科學技術的參與獲得了極大的提升，二者相輔相成［1］。在我國有關可穿戴設備應用于競技運動訓練領域的相關研究較少，因而未來發展研究的潛力相當巨大。基于此，本研究對國內外有關競技訓練領域中可穿戴設備應用的相關研究進行匯總分析，以期引起學者們對于該領域的研究探討，共同為促進可穿戴設備乃至人工智能與訓練的進一步融合貢獻一份力量。

1 研究方法

以 “可穿戴設備”“可穿戴技術”“可穿戴”“智能設備”“競技”“運動訓練”“訓練”等關鍵詞結合“足球”“網球”“田徑”“武術”“健美操”等運動項目，以相互組合的形式在中文期刊平臺諸如中國知網（CNKI）、讀秀、維普等數據庫檢索相關研究文獻；隨后以英文檢索詞：“Wearable sensors”“Wearable”“Wearable device”“Smart wear technology”結合“Training”“football”“swimming”“skiing”等項目關鍵詞在WOS、Science Direct等外文數據庫進行檢索，包括但不限于實驗研究、綜述、評論文章，隨后對相關文獻當中的信息進行提取并進行邏輯分析及綜述。

2 可穿戴設備的分類

當前市場中存在的可穿戴設備在生產及應用當中涵蓋了多個領域的多項技術。其中，通信類技術主要包括：藍牙、Wi-Fi網絡、GPS定位、人體通信技術、NFC（近場通信near field communication）等。硬件設備技術包括：芯片技術（主要包括：模擬前端芯片、主控芯片、專用芯片等）、傳感器技術（主要包括：運動傳感器、生物傳感器、環境傳感器）等。傳輸技術主要包括了柔性原件、柔性電路板、柔性屏幕等。云端互聯技術，主要用于各項數據的儲存。在對所研究文獻中涉及的有關可穿戴設備種類進行分類后，根據其不同設備特點以及應用領域不同（如醫療健康、訓練科研等），分為以下幾個方面［2，4］，具體見表1。

表1 可穿戴設備種類劃分一覽表

可穿戴設備是最能夠體現體育科技含量的實踐應用［5］。其主要的核心技術包含了光電測量、生物識別以及無線傳感等多項技術。在實際的競技訓練運用中，運動員穿戴的設備通過與專用信號接收設備的結合，實現對人體機能的實時監測，以達到輔助訓練，預防傷病等多重效果。例如：使用肌電測量設備來檢測肌肉疲勞程度的連身衣和壓縮短褲，以及根據運動員動作過程中對地面壓力測定的測力臺等等。獲得的數據通過與之相匹配的一套數據分析處理軟件以及可視化視頻分析應用，共同實現對數據的處理分析，以支持訓練過程的把控。

3 可穿戴設備在競技訓練領域中的應用

科技的發展與應用在體育領域的實現主要是在競技與訓練領域當中［6］。其中，以大數據、可穿戴設備與人工智能的融入是體育領域科技進步的重要推動因素［1，5］。可穿戴設備通過在競技以及訓練過程中對運動員生理生化以及生物力學的相關數據進行實時監控，對數據進行收集處理分析，以便隨時調整訓練計劃，提升運動成績的同時降低運動員受傷幾率。

3.1 可穿戴設備在體能主導類項目中的應用

體能主導類項目主要包括了舉重、跳躍等快速型力量性項目，短跑、短游、短距速滑、短距離場地自行車等速度性項目，以及中長跑、中長游泳、越野滑雪、長距離場地自行車等耐力性項目［7］。

Wood等［8］使用三軸加速度計對田徑運動員訓練過程進行監控，評估了運動員的脛骨正向加速度時的峰值變化。也有研究人員［9-10］在訓練監控中，使用膠帶將穿戴設備固定在右側小腿脛骨內側，測量了男性中長跑運動員小腿擺動幅度與頻率以及脛骨感受的垂直地面反作用力峰值等指標。Belbasis［11］和Fuss［12］發現，位于壓縮衣物等穿戴設備內的壓力感應傳感器可測量到與肌電圖（EMG）類似的騎行過程中大腿肌肉活動的數據。智能壓縮服裝（SCG）是一種集成在壓縮服裝中的低成本材料壓力映射系統，能夠評估肌肉收縮情況和肢體位置。SCG包含5個傳感器，能夠通過基于標記的視頻分析來確定下肢肌肉群上方的織物與皮膚之間的壓力，從而確定膝蓋屈曲角度。SCG通過目標肌肉的自愿收縮進行校準，在參與者進行腿部伸展和屈曲活動時根據壓力范圍和EMG數據量化運動水平。這種智能壓縮服可以監測自行車運動員肌肉活動數據，而EMG可以測量神經活動，因此兩者配合適用于生物力學建模。在設定肌肉負荷和預防潛在損傷方面具有可觀的前景，以支持運動員的訓練過程。Falbriard［13］等人以35名短跑運動員為樣本，使用裝有測力板的跑步機和基于攝像頭的運動捕捉系統檢測短跑運動員跑步過程中的腳部接觸地面時間和腳部落地角度，精確評估運動員在短跑過程中地面接觸、騰空、步距和擺動時間等相關參數。為短跑訓練提供數據參考。

可穿戴設備不僅可以對訓練過程進行實時監控，同時也可以作為一種輔助的練習手段應用于實踐。例如可穿戴式負重背心在監控運動員日常訓練指標的同時可以增加負荷量，參與下肢力量抗阻訓練中，提升爆發力。Marriner［14］等將16名運動員隨機分組進行為期5周的抗阻訓練，相比傳統組，佩戴可穿戴設備的WR組的下蹲跳（CMJ）成績多提升了8.7%，并且1RM也多提升了1.8%。同時對于運動員在1RM負荷下的下肢力量相關技術細節進行了發掘并使之得到了改善。

3.2 技能主導類項目

技能主導類主要包括了體操、跳水、花樣游泳、技巧滑雪等難美性運動項目以及射擊、射箭等技心能主導的準確性項目［7］。

在單板滑雪項目中，加速度計的使用可用于確定膝蓋和踝關節的角度［15］，以此來指導訓練，預防運動員關節角度變化過大導致的運動損傷。Chardonnens等人［16-17］研究中將瑞士產的一套IMMU system應用于滑雪研究。其中包含了7個傳感器，采用128Hz信號頻率進行接收，測量運動員下半身關節的角度和速度，以及落地時滑雪角和產生的力和速度。在游泳項目中，加速度計主要用于確定運動員側傾角和俯仰角（身體旋轉）以及身體加速度，同時由于水上項目的特殊性，該研究將設備的防水功能以及與其他類型手表以及腕帶設備進行了比較［18］。Nakazato等人在兩項研究［19-20］中使用了德國產Pedar壓力鞋墊（鞋墊厚度僅為1.9mm）系統以測量與滑雪項目中與垂直地面反作用力和足底壓力中心數據。并對運動員受傷幾率以及預防措施進行了分析。

在滑雪項目中，可穿戴設備通常用于評估滑雪過程中的相關參數。Gilgien［21］等應用差分全球導航衛星系統（dGNSS）來評估與不同滑雪項目中相關的身體反應和安全性需求。大回環和高山速降滑雪等不同技術動作對身體的要求差異很大，研究人員得出結論，為了提高安全性，在大回環等轉體動作時，可以通過增強滑雪板和雪地之間的摩擦來最大程度地降低滑雪速度；而對于速降滑雪，減少空氣阻力可能會更加有效［22］。Sp?rri［23］等也使用了6個可穿戴慣性測量設備評估了大回旋和回旋滑雪過程中身體不同部位產生的振動。結果發現，在小腿的設備上所接收到的頻率、功率（PSD）最大，頻率約小于30 Hz，并且膝關節和髖關節等部位減弱了振動的傳遞。 PSD值在4～10 Hz的頻率之間顯著增加了高山滑雪者過度使用背部而導致受傷的風險。Supej［24］等人使用5個加速度計和一個全球導航衛星系統記錄了18位精英滑雪者的三維運動學測量結果，發現高山滑雪過程中的低頻全身振動會增加下背部疼痛的風險，特別是在地面反作用力較大的情況下。因此他們得出結論，涉及這種低頻振動的跑步次數（例如，在側滑時）應減少，尤其是對于年輕的滑雪運動員更需要留意。由此可見，可穿戴設備在訓練中大多是對訓練過程的身體姿態以及生物力學角度等指標進行監控分析。

可穿戴設備在射箭項目中也有應用，Taha［25］等使用加速度計來監控射箭運動員手部動作與產生的位移，由于釋放的箭頭軌跡取決于弓箭手在釋放階段的手部運動，測量釋放箭桿之前幾秒鐘手部動作顯得尤為重要。實驗中受試者兩臂佩戴專用的小型加速度計，生成的數據（以線性加速度表示）通過藍牙實時無線傳輸到計算機。加速度計的采樣率約為15Hz。記錄兩臂向前、向后、上下、左右移動以及每次射擊的得分和箭頭位置。數據分析表明，弓箭手的手臂運動與其得分之間存在相關性。分數較高的線性加速度模式與分數較低的線性加速度模式非常相似。

3.3技戰能主導類項目

技戰能主導類項目主要包括了乓乓球、羽毛球、網球等隔網對抗性項目，籃球、足球、手球、冰球、曲棍球等同場對抗性項目，以及棒球、壘球 高爾夫等輪換攻防性項目［7］。

齊朋雨［26］利用可穿戴技術輔助羽毛球訓練，在訓練課中記錄學生的揮拍次數、速度、力量等指標，并制定對應的訓練方案，提高了學生羽毛球底線正手高遠球、發底線高遠球等基礎技術的能力。Jacob［27］等使用由美國Spectra Symbol公司生產的傳感器并入了手套狀的手部監視模塊，羽毛球運動員使用這種傳感器，可以通過測量拇指的撓曲角度來確定不同類型的握力，包括食指和中指的發力。Mitsui等［28］使用重量僅為22g的加速度計測量了高爾夫運動員在揮桿過程中產生的三維加速度和角速度，同時對足部發力點以及力學指標的大小進行了測量。Koda［29］等使用三軸加速度計評估了棒球運動員揮臂過程中手臂揮棒時產生的線速度與角速度以及做功等運動學指標。Gawsalyan［30］等在板球運動中也對運動員擊球時肘部伸展角度進行了觀察，該研究使用3個裝在手臂特定位置的MARG傳感器，通過MARG穿戴式傳感器對運動員上肢運動進行運動捕捉。該方法的進一步發展將涉及軟件工具擴展到全身監測系統，這將對教練員、體育科學研究者有極大幫助。并且這種方法的用途擴展將有效診斷出與技術和姿勢相關的運動損傷。

在足球項目訓練中，Fuss［31］等人在足球鞋中采用了壓敏傳感器矩陣來識別腳上的“最佳位置”，以58～86°的直接彎曲任意球最大程度地擊中球門。該傳感器可以使足球運動員分析他們的腳對球的撞擊并改善他們的技術特點，同時與定位系統如全球定位（GPS），本地定位（LPS）和基于視覺的（VBS）系統等配合對團隊運動進行監控活動［32］。Pettersen［33］等人進行的研究中，使用高精度的XYZ三軸運動跟蹤系統，以20 Hz的采樣率采集球員數據，包括場地位置，運動方向和速度。身體傳感器數據包括時間戳，玩家位置，速度，前進方向和其他幾種數據類型。該系統使用兩個固定的攝像機陣列進行捕獲，攝像機陣列位于靠近場中心區域上方的升高位置。攝像機覆蓋整個足球場，展示了基于無線電的可穿戴式定位系統可以洞察單個足球運動員及其球隊的表現。Blair［34］等對30名男性俱樂部足球運動員進行了下肢力學的監測。參與者佩戴了荷蘭某公司生產的穿戴設備，包含17個傳感器，接收器和電池等，將其壓佩戴至連體壓縮服中。傳感器按照制造商建議放置于：小腿脛骨內側表面，大腿膝蓋上方外側，骨盆兩個后上棘中間，肩膀，脊柱中間，上臂肘部上方，前臂手腕的外側，胸骨和頭后部等部位。為了避免與球接觸，將腳部傳感器放置在球員踝部下方踝部側面。同時根據每個人的人體測量數據（身高體重臂展），進行縮放生物力學模型，然后配合12臺相機攝錄并配合Vicon系統（英國產）進行運動學數據進行比較，并以此結果作為參考改進訓練計劃。同樣類型的穿戴設備也可以測量足球運動員射門時足部的直線速度和角速度以及小腿和大腿的加速度［35］，足部運動角度［36］，并對運動員做功進行測量記錄。可穿戴技術在訓練中對運動員生物力學指標的監控，可以對運動員不同技術動作的角度、速度進行多方面分析，在增強運動員運動表現和預防運動損傷方面有重要作用。

4 競技訓練領域中可穿戴設備的未來發展趨勢

可穿戴設備未來發展的趨勢可能會根據其所在的不同領域而會有所不同，諸如在大眾健康領域，從產品銷售以及便攜性的角度來看，可穿戴設備可能趨于微小化、時尚個性化。但不可否認的是，在未來可穿戴設備的發展必然會趨向于機器便攜化、識別敏感化、數據精準化、能耗降低化，這些都是穿戴設備在提升其產品性能以及行業競爭力的重要發展方向。尤其是在體育領域當中，科技進步最大的應用領域以及受益者為競技體育，人工智能以及可穿戴設備與運動訓練的融合將是競技體育發展的重要驅動因素［1］。因此，從運動訓練的角度對于未來可穿戴設備的發展，提出一些建議，以供參考。

4.1 提升運動員隱私保護

可穿戴設備在運動訓練領域的應用當中，運動員訓練或者模擬比賽時所穿戴的設備，其中多為一些國外品牌制造商所生產的設備，其設備運行中所實時共享的云端數據隱私及安全性不得而知，甚至在運動訓練的數據儲存與處理過程中，勢必會運用到第三方平臺的相關軟件，而此類軟件的隱私性也是不可把控的。在科技迅速發展的現今，競技場上的千分之一秒甚至都能成為勝負的關鍵，尤其是在奧運會、世錦賽備戰期間，頂級運動員各項身體數據必然要成為密切保護的對象。因此，在可穿戴設備應用于運動訓練領域時，必然要保證運動員數據的隱私性［37］。而達成這一目標則需要大力促進本土科技公司的發展，使可穿戴設備研發公司以及云端數據處理技術的共同進步才得以達成。

4.2 設備便攜性提高

與可穿戴設備信號接收器的要求不同，穿戴設備的信號發射器，尤其是運動員肢端佩戴的設備，其對于設備大小及體型的要求更高。不論是日常訓練課還是模擬比賽過程中，運動員不僅需要進行高強度的訓練，甚至在一些運動項目中需要激烈的身體對抗，因此需要可穿戴設備在進行數據采集的情況下盡可能的縮小體積、減輕重量、柔性屏幕、乃至芯片集成化，以減少佩戴過程中運動員的不適感，降低對運動員運動表現的影響。

4.3 生物識別技術更加敏感、精準

競技體育所要求的即是使運動員競技能力有較大提升，因而在運動員訓練過程中，不僅僅對相關科研工作要求嚴謹精確，對于要采集的各項指標數據的精準度也要求嚴格。訓練隊也需要根據運動員訓練過程中實時出現的不同狀況進行及時的調整，并安排后續的訓練計劃與工作。同時，考慮到一些常見情況，如：運動員訓練過程中大量出汗，而汗液可能會影響到與皮膚有直接接觸的一些可穿戴設備生理信號的傳輸，導致設備的敏感性降低［38］。因此，考慮到對于所獲數據要求的精準度，需要提升可穿戴設備生物識別技術的敏感度以及精準度。

4.4 提升網絡信號穩定性

可穿戴設備在實際應用當中，多數需要無線信號的傳輸。普通大眾經常所使用的運動手環等設備，大多使用藍牙等連接方式。而在運動訓練過程中，運動員常用設備，如加速度計、可穿戴背心等設備所依賴的信號傳輸包含了GPS、Wifi以及多種網絡信號聯合使用的方式.運動員穿戴設備訓練的過程中，信號的傳輸也會因項目的不同受到不同程度的影響。如短跑、跳遠等直線加速型運動項目，所要求GPS定位信號準確，頻率變化不大。而籃球、橄欖球等人數較多，身體對抗較強的運動項目，以及自由操等身體運動角度變化較大、曲線加速較大的項目，對于無線信號的傳輸敏感性以及穩定性要求精度更高。有研究表明，集體性球類對抗項目中對于GPS信號傳輸的頻率要求應當達到5Hz，同時網絡傳輸的帶寬應當至少在250 Kbps以上［39］，以滿足運動員運動過程中身體移動的變化，確保數字以及影像的傳輸，在未來可穿戴設備研發階段中，可以將這一標準作為參考。

5 結論

1）可穿戴設備在競技訓練領域中的應用廣泛，其中在體能主導類項目中短跑、自行車項目應用較多；技能主導類項目中，技巧性滑雪項目應用較多；技戰能項目當中，足球項目應用較多。

2）可穿戴設備主要的作用是對運動員訓練過程進行監控、并對所獲的運動生物力學指標進行分析。能夠輔助運動員訓練過程，降低運動損傷發生率。

3）未來可穿戴設備在我國競技訓練領域中的應用應當關注提升運動員數據隱私、可穿戴設備便攜性、生物識別技術的敏感性、網絡信號更穩定等幾個方面。