蘇炳添新論文提出運動監控系統！借助可穿戴設備，聚焦于運動信號的科學檢測方式

今年東京奧運會上，蘇炳添以9秒83的百米亞洲紀錄締造者的身份，進入了人們的視線。

“蘇神”的名號，一時傳遍了大江南北。

其實，除了奧運會百米運動員之外，蘇炳添還有另外兩個身份：暨南大學體育學院副教授以及北京體育大學2019級博士研究生。

此前備戰奧運會期間還在寫博士論文的蘇炳添，之前已經發表過數篇短跑方面的論文，研究內容主要是“蘇炳添為什么跑這么快”。

最近，在告別全運會征程之后，蘇炳添回歸家庭享受了一個短暫假期，隨后又開啟了工作模式。

暨南大學官方錄制的一段有關蘇炳添上課的視頻中，除了在運動場和力量室里的教學外，在戶外運動場，蘇炳添先是演示跨欄動作，雙臂張開平行，隨即跨欄，后續還有鉆欄的動作，然后讓學生一一做出來，蘇炳添則在一旁監督糾正。

除了教學之外，蘇炳添與國家體育總局體育科學研究所/北京體育大學陳小平、暨南大學化學與材料學院李風煜教授等人合作，從運動員訓練中對各種體征信號采集、分析的需求出發，綜述了近些年來柔性電子、光電集成傳感器的最新研究進展，介紹了不同種類的運動信號檢測方法，包括生物電位信號監測、電化學傳感監測、光電容積描記法監測等。

相關論文也以“科學訓練輔助：柔性可穿戴傳感器運動監測應用”為題，發表在《中國科學: 信息科學》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生物傳感監測三類。

在基于電生理信號監測中，我們就來看看其中的一類，即肌肉電信號。

肌肉電信號采集的原理主要通過體表附著電極，進行對肌肉系統的神經細胞所產生的電生理信號的監測。通過監測運動過程中的肌肉電信號變化，可以對肌肉疲勞發出預警，從而調整運動員的訓練方法以及訓練量。

在電極與皮膚的貼合性問題上，新加坡國立大學的歐陽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，電極仍能與皮膚實現良好貼合。也就是說，即使在運動出汗過程中，該電極仍能采集到高質量的肌電信號。

為實現便攜式的實時監測肌電信號，佐治亞理工學院的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，在循環多次使用情況下，仍然能夠采集具有高質量的信號。

除此之外，新加坡南洋理工大學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，可以在運動電生理信號的監測獲得質量穩定的信號，電極在150次循環使用后，采集信號的信噪比仍保持在45dB，即具有極佳的耐疲勞性。

通過上面的討論可以看出，通過開發新型導電材料，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題，也有助于更靈敏、便捷、可穿戴、可附著式傳感設備的開發。

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上，香港中文大學的趙鈮教授基于有機光電晶體管和無機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，主要解決運動過程中產生的運動偽影導致采集光電信號數據失真的問題。

西北大學Rogers教授團隊研發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，集成光電功能進行光電容積圖的無線捕獲和傳輸，采用帶有雙層環形天線的多層布局，可最大限度地提高能量收集效率和無線數據通信的距離，進行心率等生理信號的實時監測。與商業手環相比，該器件貼合指甲，足以減少運動偽影導致的信號衰減問題，準確性較高。

隨著AI和深度學習的應用，Motin MA等人提出了一種在高強度運動條件下，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，在高強度運動情況下，從PPG信號進行提取信號，并估算此時心率情況。在實驗組對比中，該算法得出最終的錯誤率僅為1.78%。

基于電化學生物傳感監測

基于電化學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：基于光學感知與基于電化學生物傳感。

加州大學Wenzhao Jia等人第一個提出基于柔性打印的紋身電極電化學傳感器用于汗液乳酸的檢測，由于無創的乳酸檢測對實際運動比賽具有重要意義，引起了世界各國科研工作者廣泛研究。

加州大學伯克利分校的高偉教授提出了一種實時可穿戴汗液分析傳感陣列（ flexible integrated sensing array, FISA)，該傳感陣列可以實現選擇性篩選汗液中的各種代謝物以及電解質，將乳酸氧化酶固定在殼聚糖滲透膜上，通過傳感器產生的電流與代謝產物成比例關系，進行乳酸濃度分析。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。

加州大學的Joseph Wang教授開發了一種集成多功能眼鏡傳感器，可以實時地對人活動過程中汗液中的電解質和代謝產物檢測。通過將乳酸傳感器集成到眼鏡的鼻梁墊中，從而實現對運動過程中的乳酸監測。在運動過程期間，可以通過無線的模塊實時傳送數據。

澳大利亞莫納什大學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裝備，從而實現全方位長時間的監測。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A. Rogers等人開發了一種柔性微流控多功能比色汗液檢測平臺，該平臺除了可以實現汗液中的乳酸監測，還可以進行汗液溫度監測、出汗率、氯離子和葡萄糖的檢測。該平臺特點是對收集汗液的毛細破裂閥進行優化，使汗液流通到各個的微通道中，實現平臺在各物質檢測與監測互 不干擾。

未來與展望

競技體育是國家重點的發展方面，也是發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，尤其是隨著智能化的應用，很多設備都可以在體育行業當中得到利用。正如論文中涉及的各種設備，通過分析大數據，可以監控運動員的各項生理指標，還可以預測運動員在訓練過程當中可能存在的風險，可以進行合理的規避。

蘇炳添提出，科學化運動訓練需要一個完整的運動監控系統。這個系統需要多種柔性可穿戴運動傳感器的整合，具備運動訓練生理指標監測、運動技術戰術分析、運動心理情況分析、運動損傷預測等功能。

該平臺的研發將有望解決運動員運動訓練需要多臺監控設備、多位技術人員等問題，降低了成本和時間投入。

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