〈工業技術與資訊〉運動數位躍進 應用百花齊放

「運動科學」透過生物運動力學、生物化學、心理學等理論和實作,針對運動員的呼吸、心跳、肌耐力、含氧量。(圖:工業技術與資訊月刊)
「運動科學」透過生物運動力學、生物化學、心理學等理論和實作,針對運動員的呼吸、心跳、肌耐力、含氧量。(圖:工業技術與資訊月刊)

撰文/林玉圓

1916 年,瑞士打造出全球首支精度達百分之一秒的機械碼錶,從此引發運動界劇變,競技賽事得以被更精確地測量,讓運動員追求更好的表現。接下來的一百年,科技不斷改變運動的形式乃至本質,而「運動科學」(Sports Science)也成為專業學科,透過生物運動力學、生物化學、心理學等理論和實作,針對運動員的呼吸、心跳、肌耐力、含氧量、甚至心理因素等進行綜合分析。

時至今日,物聯網及大數據的發展,又掀起了新一波運動科學革命。最知名的例子就是好萊塢電影「魔球」(Moneyball)描繪的美國職棒史上最傳奇球隊-奧克蘭運動家隊的精彩故事。球團總經理賓恩(Billy Beane)顛覆球探個人經驗以及直覺來遴選球員的方式,大膽進用數據分析專家,藉由非傳統數據如上壘率而非打擊率來選將,組成一支不被看好的球隊,卻締造 20 連勝,一舉打破美國聯盟百年紀錄,闖入美聯西區冠軍。其科學化的數據分析方式,引起所有職棒球隊爭相仿效,成為美國職業球團不可或缺的工具。

輔助訓練 新式運動科技備出

2002 年,奧克蘭運動家隊以數據分析締造 20 連勝紀錄;20 年後的今天,運動科技一日千里,不僅更貼身,還上了雲端,更精準、更精準,尤其針對運動員的訓練,有了許多重大突破,其中最具代表性的技術包括虛擬實境(VR)、穿戴裝置、數據分析,而修復運動傷害、以及運動員心理、生理層面的照顧,也都有科技參與其中,科技對運動的加值可以說愈來愈全面。

VR:美國國家美式足球聯盟(NFL)已有多支隊伍將 VR 融入訓練中,目的是強化球員的臨場反應。舉例來說,四分衛必須快速分析現場賽況、即時做出最佳判斷;但這樣的養成,必須歷經數千小時的實戰經驗,這種訓練方式固然扎實有效,卻有其風險。因為四分衛每一次進行攻方發球時,即便只是訓練而非比賽,都有被碰撞受傷的風險。有了 VR 頭戴裝置,再也不必擔心運動傷害,可以反覆模擬演練來加強臨場反應。

此外,VR 裝置不受場地及人員限制,能夠隨時隨地進行,更不需要召集全員集合來到球場,且一、二、三線球員都有同等受訓機會,更有效挖掘潛力球員。

VR 裝置不受場地及人員限制,能夠隨時隨地進行,更不需要召集全員集合來到球場。
VR 裝置不受場地及人員限制,能夠隨時隨地進行,更不需要召集全員集合來到球場。
職業賽事允許穿戴裝置上場

穿戴裝置:不論是奧運或職業競賽,為防止舞弊,向來不允許穿戴裝置上身;但在 2016 年,美國職棒大聯盟(MLB)核准了兩項穿戴裝置可在比賽進行中使用,是體壇一大躍進,也反映出職業運動對科技的高度依賴:一是智慧袖套 Motus Baseball,用來測量手臂及手肘壓力、投手擊球範圍;一是生理指標監測器 Zephyr Bioharness,檢測運動員的心率、呼吸、姿勢、加速度等。MLB 指出,核准的主要理由,是為了讓運動員獲得更多資訊,利於平時訓練。

穿戴裝置在國際賽事的運用,於 F1 一級方程式競賽又更進一步。2018 年,F1 主辦單位宣布將強制要求車手必須穿戴脈博血氧監測手套,這款手套內建僅 3mm 厚度的感測器,競賽全程可取得車手的生理資訊,透過藍芽技術,傳輸範圍達 500 公尺。F1 表示,此項新規主要基於安全及醫療考量,過去往往在嚴重事故發生後,才能取得車手的生理跡象,導致無法立刻救援;若能及早取得資訊,賽道上待命的醫療團隊就能在抵達現場前做好準備。

穿戴裝置也從頂尖職業運動員的訓練,普及到一般大眾,例如 Garmin、Fibit、Polar、Apple watch 等耳熟能詳的品牌,在登山、自行車、跑步等休閒活動被廣泛運用。英國超級足球聯盟在疫情高峰,球場關閉的期間,便透過這類裝置來監控球員的遠端訓練。

一般來說,穿戴裝置的構造多為微機電系統,結合各式感測器將運動員的生理跡象加以量化,從最基本的心跳、力道、游泳的划手頻率、馬拉松的踏步頻率,到最新最先進的數據如協調率(頻率分析)等等,提供教練和選手更完整的資訊,做為精進的參考。

穿戴裝置的構造多為微機電系統,結合各式感測器將運動員的生 理跡象加以量化。圖為 Apple watch
穿戴裝置的構造多為微機電系統,結合各式感測器將運動員的生 理跡象加以量化。圖為 Apple watch
數據分析提升個人及團隊表現

數據分析:穿戴裝置收集到的數據量十分龐大,必須進行篩選及分析,才能轉化為可靠精準的資訊,其中牽涉的演算法及解讀角度就十分重要。舉例來說,感測裝置可取得游泳選手在競賽全程的平均划手頻率,但其意義不大;若能了解賽事的前中後段,選手划手頻率在何時出現變化、其變化曲線如何,則對精進表現更有幫助。

目前由感測裝置收集到的數據,用途可分為幾大類,一是傳送到雲端分析後即時反饋至平板或筆電,讓運動員在單次訓練的當下,立即了解體能狀況;二是可針對多次不同訓練階段進行數據的比較分析,觀察競賽技巧是否出現變化;三是監測是否出現疲勞或受傷跡象,已有職業運動隊伍在制服內建 RFID 裝置,一旦運動員過度使用肌肉瀕臨受傷時,會立刻發出警告訊號。

數據分析的普及,也催生了許多創新服務,美國的西雅圖運動科學公司(Seattle Sport Sciences)就是針對職業運動及運動醫學提供各種計量分析。該公司運用機器學習的模式認知來改造訓練方式,去年為西班牙職業足球隊 Malaga 建立數據收集系統,在球場內建置 20 部攝影機,提供 4K 超高解析影像,用來評估球員的技巧和一致性,例如傳球和接球的頻率、整體攻防的架構,甚至還能分析足球的轉速及旋轉角度。這類科技不止用來提升運動員技巧,在球隊進用或釋出球員時也可提供具體的數據來佐證。

科技協助運動傷害修復

運動傷害復原:拜科技所賜,運動傷害的處理也有了極大進展,讓復原時間顯著縮短。舉例來說,復健療程通常包含肌肉訓練,以利恢復原本強度;如今透過穿戴裝置,能夠提供肌肉表現的數據,醫生再依據這些數據,調整復健療程,發揮最大的治療效果。具體的療法例如冷凍復健,雖然此療法已存在幾 10 年之久,但近幾年出現重大進展。受傷的運動員不必再泡在冰水中,只要在治療艙內待上幾分鐘,將身體曝露在液態氮蒸氣之下;治療艙可創造華氏零下 256 度的環境,面對極度低溫時,人體自動進入保護模式,血液流向核心來維持體溫,過程中可改善血液循環,讓賀爾蒙及健康細胞有機會滲透入肌肉當中。

此外,加壓療法在職業運動也很常見,它藉由袖套或背心內的加壓裝置,模擬按摩手法;使用者穿上後,自動充氣符合體型,再漸次加強壓力,促進淋巴液進入肌肉,加速復原。

新創公司 Halo Neuroscience 開發出一款智慧頭帶,能夠傳送震波來刺激大腦額葉的運動皮層
新創公司 Halo Neuroscience 開發出一款智慧頭帶,能夠傳送震波來刺激大腦額葉的運動皮層
腦部刺激及醣體補充

其他應用領域:職業運動的勝負,心理因素往往是成敗關鍵,因此替選手做好精神上的準備成為運動科技專注的領域之一。新創公司 Halo Neuroscience 開發出一款智慧頭帶,能夠傳送震波來刺激大腦額葉的運動皮層,提升協調性及專注力,該公司宣稱在運動或訓練前戴上 20 分鐘,即可發揮效果。

營養學也是運動員極為重視的項目。科學研究顯示,若身體內的酮體增加,相較攝取碳水化合物所產生的葡萄糖,更有助於快速產生能量並燃燒更多脂肪。美國國防部、牛津大學及美國國家衛生院(National Institutes of Health)合作開發出含有酮體的創新運動飲料,可提高血中含酮量,強化體能及認知表現,已申請專利並經過運動員及軍方戰術人員實測。

疫情帶來運動的「數位躍進」

新冠肺炎疫情顛覆了運動生態,也加速運動科技的普及;社交距離及運動場館關閉導致團體運動及室內運動式微,但戶外個人運動及居家健身的需求卻大大增加,也帶動 GPS 導航結合生物感測的穿戴裝置大受歡迎、硬體健身設備結合線上教練服務蔚為風潮。

顧問公司麥肯錫在 2021 年運動產業報告中指出未來的八大發展趨勢,其中很重要的一項便是「數位躍進」(Digital Leap),也就是數位健身及運動社群將漸成主流,它雖然無法全面取代傳統運動方式,但將以「共生」方式來輔助傳統運動,形成遠端連繫的虛擬社群。隨著疫情漸趨止穩,無論在專業運動或是運動休閒領域,運動結合科技將成為回不去的新常態,幫助人類跑得更快、更遠、更健康。

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 356 期 2021 年 10 月號,未經授權不得轉載。


《工業技術與資訊》月刊 | 《工業技術與資訊》月刊

《工業技術與資訊》月刊,現為工研院發行之全院性對外出版品,刊物發行於1991年,目前每期發行數量約為6,000份;對象含括全國具研發單位的中小企業、立法委員、政府官員、媒體等。

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