小小乒乓球桌的传感“智能+”
2019-12-19 21:31:51   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

跨国研究团队联合攻关，“擦边球”争议判罚不再难

柔性W-TENG的制备流程和智能乒乓球台的示意图（王中林课题组供图）

在竞技体育中，争议判罚屡见不鲜。尤其在乒乓球比赛中，常会出现“擦边球”现象，裁判员受视觉范围和角度、职业素质等因素影响，时常无法正确判断，误判不仅会影响运动员的比赛状态，还会直接影响比赛结果。

对于乒乓球等竞技体育事业来说，生产并应用能实时判别“擦边”行为、辅助裁判员公正裁判的设备十分迫切。

据麦姆斯咨询报道，近日，中科院外籍院士、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林团队与美国普渡大学范凤茹博士合作开发了一种具有良好柔性、耐久性的高性能木基摩擦纳米发电机，将其用作自驱动传感器，构建出智能乒乓球台和智能系统，它们不仅能帮助准确裁判乒乓球运动中擦边球行为，还能用于运动员行为和球体运动的大数据分析。相关成果已发表于《自然—通讯》杂志。

来源于生活的灵感

“灵感来源于乒乓球运动。”论文第一作者、王中林团队博士后骆健俊告诉《中国科学报》。

热爱乒乓球运动的王中林在打球时，常遇到打出的擦边球很难判断，也没有一套简便的系统对自己的技术水平给予分析和指导。

的确，乒乓球比赛规则对于擦边球并无详细定义，只规定了比赛台面为球台上表面，球台侧面不属于比赛台面。但处于边缘处的台面和侧边缘距离过近，难以区分是否为有效球。

“我们研究的摩擦纳米发电机是否可以解决这个问题呢？”灵感闪现在王中林的脑海中。他认为，结合物联网和大数据技术，设计一套自驱动传感系统在体育赛事和运动员日常训练中将大有可为。

摩擦纳米发电机，是王中林于2012年以麦克斯韦位移电流第二分量为理论根基所提出的，它能有效地将环境机械能和人体运动转化为电能，具有结构简单、成本低廉、环境友好等特点，在微纳能源、蓝色能源以及主动式传感等领域有着广泛的应用前景。

在乒乓球运动中，要想对擦边球行为作出实时判断，需要广泛分布的传感器进行数据实时采集。然而，传统的供能器件存在寿命短、维护成本高、环境污染等问题，因此，发展出一种可持续、免维护的传感技术具有重要意义。

基于摩擦纳米发电机的自充电能量系统通过集成能量存储器件可以为电子器件提供持续的电能供给。该摩擦纳米发电机还可以直接将机械刺激转化为电信号，用作自驱动传感器。

“若能将自驱动传感器嵌入乒乓球桌面，可根据乒乓球撞击桌面时产生信号的强弱，实时判定球撞击球台边缘的具体位置。”骆健俊说。

同时他也深有感触：科研的灵感有时候就来自生活中的点点滴滴。只要热爱工作和生活，闪现出一个想法或许就可以解决一个大问题，甚至改变一个行业。

“木基”传感，精准判罚

制备摩擦纳米发电机首先需要找到适合的材料，该研究中，研究人员以木材为制备材料。

王中林表示，目前，用于制备摩擦纳米发电机的材料大多是不可降解的有机聚合物，如用于自驱动传感器在环境中广泛分布，可能会引起环境污染等问题。而作为地球上最丰富的自然资源之一，天然木材是一种可再生、可持续、可降解的材料。

此外，乒乓球桌等体育器材本身就是木材所造，以木材为材料制备的传感器件相容性更佳。不过，天然木材的机械性能和摩擦发电性能通常不能很好地满足摩擦纳米发电机的性能要求。因此，开发一种有效的处理方法来调节天然木材的性能，并用于制备高性能摩擦纳米发电机，对于发展可持续和环境友好的自驱动系统有着重要意义。

研究人员设计了一种简单有效的木材处理方法，仅需两步——化学溶液处理和热压，这使得包括强度、柔韧性、耐磨性和可加工性能等在内的木材的摩擦发电性能和机械性能大幅提高。

测试结果显示，制备出的高性能木基摩擦纳米发电机输出性能提升了70%，还具有质量轻（0.19 g）、结构薄（0.15 mm）、价格低等优点。

为了验证其有效性，研究人员构建了一个智能乒乓球桌，在台面分布了含有64个基于高性能木基摩擦纳米发电机的自驱动传感器阵列，并设计了一种自驱动落点分布统计系统和擦边球判定系统。

结果正如研究人员此前所设想的，智能乒乓球桌具有多种传感功能，自驱动系统可同时实现乒乓球的速度传感、路径追踪和落点分布统计，还能准确判定两种不同的擦边球，辅助裁判员在比赛中做出准确的判罚。

智能体育，未来可期

值得一提的是，该系统所记录的完整数据还可用于大数据服务，包括比赛成绩、运动员训练表现、健康生理指标等数据的采集和分析，这些能有效地帮助运动员进行科学训练从而提高竞技水平。

该研究意味着摩擦纳米发电机首次应用于智能体育，受到了国内外体育界的广泛关注。

审稿人认为，该研涉及材料改进、设备设计和应用演示，开辟了木基电子器件与自驱动系统相结合的创新研究方向。

王中林表示，相对于目前在体育赛事中使用的“鹰眼技术”来说，该智能系统成本更低、更便于在小型体育赛事及球员的日常训练中推广。此外，由于它的体积小、结构薄，整套系统兼容多个传感器，广泛收集的数据可对乒乓球比赛和运动员的训练指标提供系统性的分析。

他还告诉记者，该研究拓展了自驱动系统在智能体育设备和体育大数据分析中的应用，除乒乓球运动外，未来，还可延伸到跳远、篮球、羽毛球、网球、排球等多项体育运动的智能分析。

“今后可根据应用场景和实际需求，随时调整传感器的大小、数量和形状等，不过实现真正的商业化应用还需较长一段时间，比如传感器的稳定性、灵敏度等都需要进一步提高。”骆健俊说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-019-13166-6