蘇炳添新論文提出運動(dòng)監控系統！借助可穿戴設備，聚焦于運動(dòng)信號的科學(xué)檢測方式

今年?yáng)|京奧運會(huì )上，蘇炳添以9秒83的百米亞洲紀錄締造者的身份，進(jìn)入了人們的視線(xiàn)。

“蘇神”的名號，一時(shí)傳遍了大江南北。

其實(shí)，除了奧運會(huì )百米運動(dòng)員之外，蘇炳添還有另外兩個(gè)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。

此前備戰奧運會(huì )期間還在寫(xiě)博士論文的蘇炳添，之前已經(jīng)發(fā)表過(guò)數篇短跑方面的論文，研究?jì)热葜饕恰疤K炳添為什么跑這么快”。

最近，在告別全運會(huì )征程之后，蘇炳添回歸家庭享受了一個(gè)短暫假期，隨后又開(kāi)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(dòng)場(chǎng)和力量室里的教學(xué)外，在戶(hù)外運動(dòng)場(chǎng)，蘇炳添先是演示跨欄動(dòng)作，雙臂張開(kāi)平行，隨即跨欄，后續還有鉆欄的動(dòng)作，然后讓學(xué)生一一做出來(lái)，蘇炳添則在一旁監督糾正。

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(dòng)員訓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(lái)柔性電子、光電集成傳感器的最新研究進(jìn)展，介紹了不同種類(lèi)的運動(dòng)信號檢測方法，包括生物電位信號監測、電化學(xué)傳感監測、光電容積描記法監測等。

相關(guān)論文也以“科學(xué)訓練輔助：柔性可穿戴傳感器運動(dòng)監測應用”為題，發(fā)表在《中國科學(xué): 信息科學(xué)》上。

基于電生理信號監測

在論文中，作者主要討論了基于電生理信號監測、基于光電感知的體征監測和基于電化學(xué)生物傳感監測三類(lèi)。

在基于電生理信號監測中，我們就來(lái)看看其中的一類(lèi)，即肌肉電信號。

肌肉電信號采集的原理主要通過(guò)體表附著(zhù)電極，進(jìn)行對肌肉系統的神經(jīng)細胞所產(chǎn)生的電生理信號的監測。通過(guò)監測運動(dòng)過(guò)程中的肌肉電信號變化，可以對肌肉疲勞發(fā)出預警，從而調整運動(dòng)員的訓練方法以及訓練量。

在電極與皮膚的貼合性問(wèn)題上，新加坡國立大學(xué)的歐陽(yáng)建勇教授引入基于山梨醇修飾的PEDOT:PSS與水性聚氨酯復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(shí)現良好貼合。也就是說(shuō)，即使在運動(dòng)出汗過(guò)程中，該電極仍能采集到高質(zhì)量的肌電信號。

為實(shí)現便攜式的實(shí)時(shí)監測肌電信號，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導電復合材料制備的電極，具有機械柔軟性以及高導電性，可以在運動(dòng)電生理信號的監測獲得質(zhì)量穩定的信號，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(guò)上面的討論可以看出，通過(guò)開(kāi)發(fā)新型導電材料，制備柔性電極，可解決肌肉電信號監測中器件集成與貼附的問(wèn)題，也有助于更靈敏、便捷、可穿戴、可附著(zhù)式傳感設備的開(kāi)發(fā)。

基于光電感知的體征監測

在基于光電感知的體征監測中，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，心率的監測方法主要包括基于ECG黃金標準法和基于PPG原理的方法。

在針對心率監測方法的改進(jìn)上，香港中文大學(xué)的趙鈮教授基于有機光電晶體管和無(wú)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(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的運動(dòng)偽影導致采集光電信號數據失真的問(wèn)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備，在指甲片上安裝柔性薄膜光電傳感器，集成光電功能進(jìn)行光電容積圖的無(wú)線(xiàn)捕獲和傳輸，采用帶有雙層環(huán)形天線(xiàn)的多層布局，可最大限度地提高能量收集效率和無(wú)線(xiàn)數據通信的距離，進(jìn)行心率等生理信號的實(shí)時(shí)監測。與商業(yè)手環(huán)相比，該器件貼合指甲，足以減少運動(dòng)偽影導致的信號衰減問(wèn)題，準確性較高。

隨著(zhù)AI和深度學(xué)習的應用，Motin MA等人提出了一種在高強度運動(dòng)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(dòng)情況下，從PPG信號進(jìn)行提取信號，并估算此時(shí)心率情況。在實(shí)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)生物傳感監測

基于電化學(xué)生物傳感監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(gè)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(wú)創(chuàng )的乳酸檢測對實(shí)際運動(dòng)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(shí)時(shí)可穿戴汗液分析傳感陣列（ flexible integrated sensing array, FISA)，該傳感陣列可以實(shí)現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(guò)傳感器產(chǎn)生的電流與代謝產(chǎn)物成比例關(guān)系，進(jìn)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定性。

加州大學(xué)的Joseph Wang教授開(kāi)發(fā)了一種集成多功能眼鏡傳感器，可以實(shí)時(shí)地對人活動(dòng)過(guò)程中汗液中的電解質(zhì)和代謝產(chǎn)物檢測。通過(guò)將乳酸傳感器集成到眼鏡的鼻梁墊中，從而實(shí)現對運動(dòng)過(guò)程中的乳酸監測。在運動(dòng)過(guò)程期間，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)的模塊實(shí)時(shí)傳送數據。

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(dòng)裝備，從而實(shí)現全方位長(cháng)時(shí)間的監測。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(kāi)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(shí)現汗液中的乳酸監測，還可以進(jìn)行汗液溫度監測、出汗率、氯離子和葡萄糖的檢測。該平臺特點(diǎn)是對收集汗液的毛細破裂閥進(jìn)行優(yōu)化，使汗液流通到各個(gè)的微通道中，實(shí)現平臺在各物質(zhì)檢測與監測互 不干擾。

未來(lái)與展望

競技體育是國家重點(diǎn)的發(fā)展方面，也是發(fā)展水平的核心競爭所在。

現代的競技體育訓練方面不斷地提高，尤其是隨著(zhù)智能化的應用，很多設備都可以在體育行業(yè)當中得到利用。正如論文中涉及的各種設備，通過(guò)分析大數據，可以監控運動(dòng)員的各項生理指標，還可以預測運動(dòng)員在訓練過(guò)程當中可能存在的風(fēng)險，可以進(jìn)行合理的規避。

蘇炳添提出，科學(xué)化運動(dòng)訓練需要一個(gè)完整的運動(dòng)監控系統。這個(gè)系統需要多種柔性可穿戴運動(dòng)傳感器的整合，具備運動(dòng)訓練生理指標監測、運動(dòng)技術(shù)戰術(shù)分析、運動(dòng)心理情況分析、運動(dòng)損傷預測等功能。

該平臺的研發(fā)將有望解決運動(dòng)員運動(dòng)訓練需要多臺監控設備、多位技術(shù)人員等問(wèn)題，降低了成本和時(shí)間投入。

科學(xué)化運動(dòng)訓練監控系統的發(fā)展將會(huì )成為競技體育成績(jì)突破的新科技，助力運動(dòng)員取得新突破，為青少年運動(dòng)員培養與優(yōu)秀運動(dòng)員選拔提供更精細、準確的參考與指導，推動(dòng)我國“體育強國建設”。