帮助奥运游泳健儿的“数字孪生”？

就在这个月，全球体育迷将在法国巴黎西郊南泰尔的拉德芳斯赛场上见证世界上最好的游泳运动员为中国的荣誉而战。对于奥运运动员来说，参加这场顶级比赛并获得奖牌将是他们职业生涯中最闪亮的时刻，也是他们最近的梦想。

把奥运梦想变成现实需要多年的全身心投入，只有少数人能在这样的舞台上绽放。

具体来说，只有全国排名前60或前80的选手才能收到各种游泳比赛的奥运选拔邀请，只有在选拔阶段表现最好的四名选手(两名男选手和两名女选手)才能当选奥运队。通常只有百分之一秒是决定运动员命运的关键。

那么教练应该怎样帮助这些奥运希望之星？

她们是否应该指导球员模仿Katie？ Ledecky和Michael Phelps的游水技术，试着复制它们的成功？

当然，答案是否定的。

毕竟运动员的体型和身材都不一样，各自的优势也大不相同。奥运会和我们熟悉的所有日常活动完全不同。在网上搜索是不可能找到唯一正确的答案的。

真正改变游泳运动的是看似相去甚远的因素，比如数学、物理、科技。基本思路不难理解——生物力学、流体力学等复杂物理和数学问题中的变量是决定结果的关键。游泳运动员只要不断优化这些变量，就能逐渐达到近乎完美的状态。

现在，传感器技术的出现已经把这个想法变成了现实。

有了数学和物理意义上的有用信息，教练们可以“精准训练”这些希望在2024年巴黎奥运会上的明星，结果也非常成功。

力学在水中游泳

牛顿力学定律中的普遍性不仅支配着整个太阳系，也支配着游泳运动员的每一个微妙动作。当游泳运动员跳进游泳池，努力推动自己前进时，牛顿定律支配着推动力与游泳运动员获得的加速度的关系。

比如在50米的奥运会自由泳决赛中，八名选手挥舞着四肢，只是为了率先在游泳池里游泳。这场比赛甚至不是球员之间的较量，而是每个球员对抗惯性(牛顿第一定律)和阻力(牛顿第二定律)。

她们必须继续努力将身体推向终点(牛顿第三定律)，而最快完成这一循环的是冠军，也就是金牌得主。

用数字孪生进行训练

九位优秀的游泳运动员将在今年夏天首次接受数字孪生练习。

自2015年以来，埃默里大学和弗吉尼亚大学的研究小组一直在为游泳运动员配备“惯性测量单元”设备，以记录他们身体的加速度、方向和力量。这些传感器可以每秒捕捉512条信息，不同于典型的数字视频，每秒记录24帧图片。

当游泳运动员在手腕、脚踝或背部佩戴这些传感器并进行一系列测试时，数量会显示每次转身、出水、划水和抬腿对加速度的影响。

最近，我们开始使用先进的传感器来测量玩家手部产生的力量。

这些高科技腕带可以测量手掌和手侧之间的压差，从而提醒推动力的方向。以前教练只能通过观察水面上的游泳者来评价结果，现在已经提炼成一系列图表和图形，显示向前、向侧和上下角度的输出分布。

简而言之，除向前推力外，其它任何方向施加的力都是对体力的浪费。

我们利用这些数字流为运动员创建数字孪生模型，并以ms为基准捕捉他们的动作。如今，美国100多名最好的游泳运动员参与其中，形成了一个庞大的数字孪生数据库。

有了这样的数字孪生副本，我们可以提出建议，快速改进技术，为比赛策略提出建议，并设定长期的理想目标——而这一切都是为了追求更好的比赛成绩。

在技术方面，不进行现场比赛，可以通过数字方式识别不同运动员的比较优缺点。一旦发现技术缺陷，教练可以立即提供准确的指导来解决。数字孪生甚至可以量化球员缺陷的严重程度。借助牛顿方程和加速数据，我们可以准确预测球员在特定调整动作后可以节省的时间。

所有结果都可以整理成加速度数据的数值积分方法，并且将得出的结论纳入速度计算。

感谢牛顿，感谢他留下的伟大微积分。

在2020年11月，我们创造了第一套数字孪生模型，当时玩家Douglass还是一名大学游泳运动员。

尽管受时间限制，Douglass并没有参加200米蛙泳比赛，但是在为她生成数字孪生的几个小时后，我们在分析中了解到，她绝对有很好的体力和心肺水平来完成比赛，完全可以在世界锦标赛级别的抵抗中展现自己的优势。随后我们进行了模拟，并列出了她在选择蛙泳时应该处理哪些小问题。

头部位置是她获胜的关键。

Lilly是2016年奥运会金牌获得者。 以King的流线滑行姿势为例。由于Douglass的头部与身体平面保持倾斜，因此可能会引起额外的湍流和阻力。这个缺陷的具体影响是由她的数字孪生模型量化的。

通过使用牛顿定律得到的数学方程，我们预测通过调整头部位置，她每次滑行流线都会得到0.1到0.15秒的时间。在200米蛙泳比赛中，选手们将陆续进行四次这样的临街比赛，所以预计这个建议会帮助她将成绩缩短0.4到0.6秒。

经过三年的努力，Douglass通过优化技术将其200米蛙泳时间缩短0.44秒。几个月后的2023年，她以2分19.3秒的成绩打破了该项目的美国纪录，比2012年创下的纪录快了0.29秒。

在制定比赛策略方面，数字孪生也起着重要作用。

分析双胞胎副本可以帮助教练和运动员调整节奏、肢体语言时间、各阶段抬腿频率和推荐的呼吸模式。比如运动员需要每次自由泳都呼吸吗？他们在100米的比赛中呼吸的最佳次数是多少？

通过实验运动员的数字替身，我们可以很容易地在不同的比赛场景中获取数据，从而保证游泳运动员最好的比赛策略——帮助他们找到成功的最佳“公式”。

每个玩家的情况都不一样，所以他们的公式也不一样。

当我们试图改进两位优秀蛙泳运动员的策略时，我们比较了他们在“出水”初期的数字孪生加速度。蛙泳出水阶段发生在水下，包括用力爬墙和流线滑行，最后是海豚式的抬腿。我们画了游泳角度的加速度图，发现下图中“橙色”部分对应的游泳运动员有非凡的流线滑行能力，期间基本没有减速。

但是这个玩家的海豚式抬腿比较弱，抬腿的时间比另一个玩家早了近一秒。

在策略方面，橙色游泳运动员需要考虑推迟海豚式的抬腿，因为她的流线滑行更强，抬腿更弱。同时，绿色游泳运动员在滑行阶段减速明显，但表现出强大的抬腿能力。因此，这名运动员可能希望提前抬腿，以缓解他的滑行缺点。通过运行不同的模拟，我们验证了这些猜测，找到了每个划水阶段的最佳时间，甚至估计了优化后的结果预期。

有了坚实的数据支撑，我们为什么要靠猜测来解决问题？

最后，这种定量的游水分析方法也有助于设定比赛目标，经过几个月甚至几年的大量训练，将目标转化为现实。考虑到玩家目前的心脏功能有限，某些理想状态下的模拟无法直接实现。归根结底，数字孪生并不能体现肌肉疼痛、肺缺氧的痛苦。但是还是有一些方案比较难落地，比如在100米蝶泳比赛中增加一次海豚式的抬腿，虽然会带来更高的氧气消耗，但是可以帮助游泳运动员把成绩缩短0.1秒。

教练或许可以有针对性地帮助球员提高有氧能力，将不切实际的模拟转化为能够在最高水平比赛中发挥作用的竞技策略。

从1924年到2024年，恰逢百年奥运会重返巴黎，也为我们提供了一个极好的机会，让我们在奥运会上认真思考内核。在这个不断发展、变化迅速的世界里，体育精神正在成为一种连接全人类的传承和意志。尽管已经过去了一个世纪，塞纳河仍然静静地流淌，埃菲尔铁塔也像当初一样挺立。除了这些象征性的地标，巴黎及其承办的最新奥运会完全接受了现代化，向全世界呈现了科学、电子甚至其他丰富的资源。这类技术飞跃将带来同样辉煌的竞技表现，运动员们将在100年前取得一项完全不可想象的成就。

如今，玩家掌握了大量的数据、高超的训练技巧和复杂的分析能力。也许奥运会的魅力就在这里——这不仅是人类智慧和科技驱动力的体现，也是两者相互成就、相辅相成的证明。最后，我们将重新定义我们优秀群体的极限。

数百万观众将关注巴黎拉德芳斯体育场举办的游泳比赛，来自世界各地的游泳运动员将在这里争夺奖牌，甚至有望书写历史，创造新的奥运纪录。这一成就的背后，很可能是数字孪生的支持——虽然藏在电脑里，不为人所见，但也是竞技团队中不可或缺的一员。

本文仅代表作者观点，版权归原创者所有，如需转载请在文中注明来源及作者名字。

免责声明：本文系转载编辑文章，仅作分享之用。如分享内容、图片侵犯到您的版权或非授权发布，请及时与我们联系进行审核处理或删除，您可以发送材料至邮箱：service@tojoy.com