2022年北京冬奥会黑科技一览

作者：吴 峰 江世航 陶德昊 葛宇非 李 润

8月8日，第 32 届夏季奥运会在日本东京正式落下帷幕。众所周知，由于受到全球新冠疫情的影响，这并不是一届寻常的奥运会。8月5日6时，全球累计新冠确诊病例超过2亿。与此同时，德尔塔（δ）、拉姆达(λ)等各种变异毒株接踵而来，使国内外抗疫形势愈发不明朗。在为国内外运动健儿的拼搏与付出欢呼喝彩的同时，人们也为越来越严峻的新冠疫情捏一把汗。放眼未来，在6个月后的2022年2月份，世界人民将再次欢聚北京，迎来第24届冬奥会，那么，在新冠病毒肆虐的背景之下，北京2022年冬奥会还能够如期举行吗？又有哪些科技手段来保障比赛的安全顺利进行呢？

新冠疫情防控中，核酸检测是疫情精准防控的有效手段，这也无疑成为冬奥会中人们关注的焦点之一。核酸检测分为核酸样品采集、核酸提取、核酸扩增检测，从最初的人工采样、手动提取检测到自动化采样、自动化提取检测，每一步都是科技的进步。在高效、快速、精准的核酸检测方面，科技工作者们做出了不懈努力，也取得了一系列突破性成果。

由清华大学、生物芯片北京国家工程研究中心和北京博奥晶典共同研发生产、装载全集成芯片实验室系统的新冠病毒核酸检测移动实验室，是全国首款由轻型客车装载的移动实验室，钟南山院士将其命名为“轻骑兵”。据悉，“轻骑兵”接通220V民用电或启动车上自带的发电机即可正常工作，采样可通过口咽拭子采样机械臂和人工两种方式完成，每天最高检测能力大约2000人。其装载的全集成芯片实验室系统45分钟即可完成全程实验，最快35分钟报告结果，检测灵敏度处于行业领先水平。该系统可实现多种需求场景下的“样品进-结果出”式高灵敏快速检测，可以基于5G网实现检测结果直报，适合在边境口岸、社区发生聚集性疫情等应用场景下发挥重要作用。

但是，机械臂做核酸检测，能否准确找到位置，被检测人是否会有不适感？据介绍，在检测过程中，被检测人员先咬在一次性咬合器上，机械臂将棉签慢慢伸进口腔采集咽拭子，机械臂上的感应器会感知是否采集到。采集过程，被检测人的感受会与人工检测没有太大差别。

除了核酸检测技术，还有哪些即将亮相2022北京冬奥的“黑科技”值得我们期待呢？

国家体育总局反兴奋剂中心将承担北京冬奥会和冬残奥会兴奋剂检测服务。世界反兴奋剂组织WADA计划在北京冬奥会期间首次全面开展干血点兴奋剂检查检测工作。干血点（Dried Blood Spot，简称“DBS”）兴奋剂检查检测是世界反兴奋剂机构（WADA）、国际奥委会（IOC）、国际检查机构（ITA）和中国反兴奋剂中心等组织和机构共同发起的一项创新性、革命性的反兴奋剂技术。

那么，什么是干血点呢？干血点是医疗上一种血样处理方式，通过在指尖、耳垂或脚跟等部位采集极少量毛细血管血液样本，保存在滤纸上，干燥后用于临床疾病筛查、药理研究、药物代谢研究的方法统称。2011年干血点方法被引入反兴奋剂领域。2019年，国际奥委会、世界反兴奋剂机构、国际检查机构、中国反兴奋剂中心和美国反兴奋剂机构共同发起创立了国际干血点项目，多组织多机构合作开发了干血点检查检测方法。

干血点方法有哪些优势呢？传统用于兴奋剂检测的血液样本通常采用静脉采血的方式获得，必须由持证的医师采集并冷链运送到检测实验室，程序复杂，限制了样本采集、检测的时间和地点。DBS 技术为微量样本采集提供了简捷可行的方法，具有创伤小、成本低廉、采样简单、运输便捷、稳定性高、所需储存空间小、运动员体验感好和样本采集人员无性别限制等优点。干血点方法的应用可以扩大检查覆盖率，可使兴奋剂检查从“抽检”向“普查”转变，而快速、简易的样本采集方式可使兴奋剂检查从“等候检查”向“立行立检”转变。

干血点样本是如何采集的？干血点样本采集分为两类，一类是指尖样本采集，通过器材刺破指尖，将血液滴在滤纸卡片上；一类是上臂样本采集，将样本采集器材置于上臂适当位置，按下按钮，器材内置刺血针将刺破皮肤，血液自动吸入器材内部滤纸。一般情况下，采集时间约为5分钟。

干血点方法能检测什么物质？干血点方法可以检测刺激剂、麻醉剂、大麻类药物、肽类激素、Beta2-受体激动剂、利尿剂、代谢调节剂、糖皮质激素和睾酮酯原型等物质，随着更多研究的开展，干血点能够检测到的物质和方法的数量将会继续增加。

干血点方法是怎么检测的？干血点方法在采集、运输以及保证样本的稳定性方面具有一定优势。干血点作为样本基质进行血液兴奋剂检测最终是通过液相色谱-质谱检测法来完成，凭借色谱仪的高效分离和质谱仪的定性分析，可以对大部分兴奋剂进行精确的检测。

本次冬奥会的火炬在外观上和2008年北京奥运会开幕式上的主火炬塔相呼应。火炬以祥云图案自下而上过渡到剪纸风格的雪图案，据北京冬奥组委文化活动部副部长王向豫表示，2022年冬奥会火炬是艺术设计与科技创新的完美融合。相比于以往的冬奥会火炬，本次火炬首次采用了耐高温的碳纤维材料作为火炬外壳和燃烧罐的主体材料，相比于传统的金属材料，碳纤维材料有如下优势：

（1）轻便：密度相比于传统的铝合金下降了20%以上；

（2）坚固：碳纤维材料强度高、耐腐蚀，耐摩擦；

（3）可塑：将碳纤维材料与三维立体编制成型技术结合可以得到更复杂与优美的火炬形状。

此外，本次冬奥会的火炬采用氢气为燃料，使得火炬可以在极寒的天气下进行传递。这样一个高科技火炬，凝结了包括中国航天科技集团、中国石化集团和阿里巴巴等多家高校、科研院所和企业的共同努力，在保证火炬艺术性的同时，解决了包括耐高温材料合成与成型、氢气存储和火焰稳定性在内的多项问题。

冬季奥运会有巨大的制冰需求，在本次冬季奥运会上，二氧化碳跨临界直冷制冰系统被首次大规模应用到国家速滑馆等场馆。二氧化碳跨临界直冷制冰技术是采用二氧化碳为吸放热的工质，利用其液化后气化所需要吸收的潜热实现制冷的技术。据国家速滑馆制冰系统设计负责人马进介绍，二氧化碳制冷剂的破坏臭氧层潜能值（ODP）为0，全球变暖潜能值（GWP）为1，并且无异味，不可燃，不助燃，是可持续性最好的冷媒之一。相比于先前国际惯用的环保制冰技术，该技术更加先进，能耗更低，采用二氧化碳作为制冷剂，制冷效能至少可以提升20%，一年可以节约200万度电。此外，采用二氧化碳亚临界直冷制冰方法制得的冰面温度更加均匀，表面温差低于0.5℃，由于温度会影响冰的硬度进而影响运动员的发挥，所以保持冰面温度均匀分布有重要意义。

冬季奥运会中的装备到处有体现着“黑科技”。首先，运动服既要轻便也要保暖，为了实现这对看似矛盾的需求，北京服装学院、东华大学、上海体育学院等六所高校和单位展开了联合攻关，设计师们对上百种潜在材料进行了筛选，找出了最适合适的面料，打破国外垄断，实现了高端比赛运动服的国产化；此外，运动服在大腿等处使用了比普通纤维弹性强数十倍的橡胶材料以最大程度地节约体力；在手腕、胯部等易摩擦的位置采用特殊的合成纤维和聚酯材料，以减小空气阻力以及衣服与人体的摩擦。除了运动服之外，其他运动装备也采用了许多高科技材料，举例而言，本次运动会的雪橇采用了重量轻、强度大、耐腐蚀、耐高温、耐低温、刚性大的碳纤维材料，可以使运动员更好地展现技巧。

冬奥会有很多室外比赛项目，而冬季户外往往寒冷而风大，为了保证现场观看比赛的舒适性，工程师在这方面下足了功夫。清华大学建筑学院副教授曹彬及其团队开展了一系列研究，包括气凝胶保温隔热材料、柔性石墨烯发热材料和金属氧化物半导体发热材料等一系列材料被用于场馆的建设中。此外，体育场馆还采用了国产的吸声、隔热、防火、耐高温和环境友好的建筑材料，屋面还采用了光伏发电板，契合了“绿色办奥”的理念。

秉持“山林场馆、生态冬奥”的设计理念，北京冬奥会各大场馆和设施的设计建造运用了很多的新技术。国家速滑馆是2022北京冬奥会的主场馆之一，因其优美的外形而被称为“冰丝带”。如果说“丝带”只是表面的修饰，那么“冰”则是它的灵魂，本着可持续发展和“绿色办奥”的理念，国家速滑馆在冬奥会史上首次采用当下最先进也最环保的二氧化碳跨临界直冷制冰技术，赋予“冰丝带”纯净的“心灵”。

二氧化碳跨临界直冷制冰技术的原理是以二氧化碳为冷却剂，直接蒸发制冷，二氧化碳和其他冷却剂相比优点十分突出。在近几十年来的环境保护史里，冷却剂的更替是一个重要部分。早期的冷却剂如氟利昂，具有很大的ODP（Ozone Depletion Potential，臭氧消耗潜值），目前已经逐渐淡出了人们的视野；氟利昂的一些替代品如R134a，R507等虽然不会破坏臭氧层，但却具有高GWP（Global Warming Potential），会导致全球变暖；乙二醇和液氨不会导致温室效应，但乙二醇换热性能差，能耗高，而液氨如泄漏会使人中毒。因此，二氧化碳作为面向未来的冷却剂，具有很大的潜力。

那么，为什么二氧化碳具有如此多的优点，在之前的冬奥会上未被采用呢？这是因为二氧化碳作为冷却剂时，运行压力高、临界温度低，二氧化碳制冰冰场对设计、控制、施工、质检等的要求要远高于使用其他冷却剂。“冰丝带”的绿色制冰系统，背后正是大国技术的突出体现。

国家雪车雪橇中心位于延庆赛区，似蜿蜒长龙匍匐于燕山山脉南麓。相比于室内场馆，它近2000米长的赛道冰面更容易受到环境因素——日照、风、雨、雪的影响。为此，各设计团队合作开发出一套“地形气候保护系统”（Terrain Weather Protection System，TWPS），以保证赛事高质量进行。

我们以剑桥-南京大学的研究团队开发的遮阳系统为例，来展示TWPS的一环。遮阳系统不仅仅只有“遮阳”一个评价指标，而且就“遮阳”这个指标而言，也并非是使遮光效果最大化这样的单向评价。研究团队在进行设计时，提出并遵循了三个原则：（1）动态目标，动态适应；（2）满足竞赛的第一和第二体验；（3）环境气候因素引导而非决定形体。

进而团队确立遮阳系统的剖面模型，整个系统本质上来说是一个优化问题，系统的综合性能以环境性能为主导，而其他因素也作为参数考虑在内，形成一个动态网络关系。这样，即可结合太阳辐射密度等环境数据，利用遗传算法等对模型进行优化，得到符合设计要求的系统基准参数。

继2018年平昌冬奥会首次引入5G技术后，2022年北京冬奥会将会把很多5G应用落地，全方位实现“智慧办赛、智慧备赛、智慧观赛”。

中国联通副总经理买彦州表示，中国联通将率先在北京冬奥会试应用5G毫米波，为观众、媒体转播者、赛事组织者和运动员、裁判员等提供优质的观赛体验和完备的服务保障。日前在张家口外场零下30多摄氏度的极寒条件下，已成功开展业界最全的毫米波网络与终端对接测试，结果显示，毫米波带宽达800 MHz，下行速率达4 Gbps以上，上行速率达1 Gbps以上，充分验证了其优越的网络性能。

在5G毫米波多视角赛场直播方案中，记者看到电视屏幕里崇礼滑雪场的赛道上，由无人机、运动员的头戴摄像机、360度专业摄影相机组建的拍摄“矩阵”，把雪道的各个角度“一网打尽”，回传的视频再通过无线网络与基站通信相连。届时，裁判、教练可按需切换观看角度，把运动员的各种动作姿势一览无余，观众更可以一边看运动员比赛，一边尽赏沿途美景。“5G毫米波的上行速率可达到1Gbps，是原来的七八倍。”张忠皓说，“同一信道可以容纳七八个运动员头戴摄像机传回来的视频，不会出现卡顿”。

那5G对冬奥来说又意味着什么呢？云集高速率、低时延、高可靠，高容量的特点，以及5G网络切片结构，智慧观赛，5G超高清直播和转播将进入寻常百姓家。并且随着5G高设备数的介入，结合人工智能边缘云高清识别技术，智慧安防、智慧交通、智慧场馆、无人机周界防控、智慧训练、物流配送、智慧移动医疗基础设施智能化、智慧化将成为未来的大趋势。

据悉，国家将利用5G、云计算、大数据、互联网，AI等核心技术围绕观赛，参赛、办赛三大场景，除上述十大武器，智慧应用还将与最先进的AI超高精细影像系统紧密结合，并以此为冬奥赋能，5G加AI技术可对运动员身体机能和提升数据进行实时传输和多方位感知，实现常态化医疗监控和异常情况的实时报警，开展远程会诊和救治，提高医疗效率，5G加8K技术，可让观众观赏到足够清晰，足够带劲的超高清比赛画面，360度全景时间切片等多视角任意切换，还可通过安装在运动员身体或器械上的摄像头，身临其境的享受第一视角的沉浸式观赛体验，为全面保证冬奥会安全可靠的网络服务，将实现冬奥场馆及周边区域京张高铁冬奥联络线的连续覆盖。

“这些布置在赛场上的移动方舱等先进医疗设备将在医疗救护方面起到关键作用，它们可以在非常短的时间内对伤员做出初步诊断，然后通过5G网络实现数据实时传输到定点医院，这样医院可以提前准备好绿色通道、救援设备，为抢救生命争取宝贵的时间。” 北京冬奥组委运动会服务部部长于德斌说。

在一项又一项“黑科技”加持下，相信2022北京冬奥会一定能交出满意的答卷，让我们一起期待吧！