近日来，春寒料峭，年冬奥会张家口赛区气温降回至0℃以下。冬季室外观赛，最大的困境是寒冷、风大，人的体感温度非常低，甚至有冻伤的风险。张家口赛区，场馆气温低至-10℃甚至-20℃的情况很常见。据了解，在往届冬奥会中，就曾出现因为现场寒冷，导致大量观众提前退场，媒体记者、志愿者因为手脚冻僵而难以正常工作，赛事组织方对于场内人员的热舒适保障缺乏考虑，引来不少抱怨。
红色的“黑科技”：提升人体体感温度10至15℃
2月底，记者来到由国家重点研发计划科技冬奥重点专项课题“赛道环境营造及观赛环境保障技术研究”团队开展的持续实测现场，看到其研发成果在寒冷环境下能够将人体体感温度提升10℃—15℃，意味着这可以为未来冬奥会赛时期间现场观众和工作人员提供有效的热舒适保障。
为了避免上述问题在年冬奥会出现，自年开始，课题负责人清华大学建筑学院副教授曹彬及其团队开展了一系列基础研究和设备研发，力求在冰雪运动场馆极端寒冷条件下，为广大观众提供较为温暖舒适的观赛保障，从而提升观赛体验。
▲曹彬团队在国家跳台滑雪中心进行现场测试实验。
据曹彬介绍，该课题组在研究中以人体的热调节作为理论基础，使用暖体假人模拟真人的产热和散热过程，将暖体假人置身于不同的气象条件下，通过分析假人各个部位的表面温度和导出指标，判断人的热舒适状况。
▲暖体假人操作界面。
据了解，在热舒适保障措施的设计上，研究人员一方面注重应用新型功能材料，包括气凝胶保温隔热材料、柔性石墨烯发热材料、金属氧化物半导体发热材料等；另一方面，充分考虑观赛区的实际场景和观众的观赛行为，对热舒适保障措施的形式进行了有针对性的创新设计。
▲高性能防寒加热服内层发热、外层保温效果明显（内外层温差接近25℃）
▲热辐射挡板
例如，研究团队开发出兼具防风、保温和加热效果的高性能防寒加热服，在外衣整体保温性能提升的基础上进行再升级，对人体腹部、腰部等部位提供持续稳定的局部加热；再如，在观众席的座位、扶手栏杆上做文章，研究人员把加热功能与这些场馆设施巧妙相结合。通过对实验数据的分析表明，采用上述热舒适保障措施后，人的体感温度至少提升10℃—15℃。同时，这些措施还具有起效迅速、调节灵活、成本低廉等优点。
▲场馆工作人员试穿高性能防寒加热服并交流热舒适感受
除了高性能防寒加热服，冬奥会发展至今，推出了不少黑科技。今天细数一下冬奥会上出现的炫酷黑科技！
雪白的“黑科技”：电线杆为造雪设备带来创新灵感
滑雪是冬奥会上的重头戏。北京冬奥会15个分项中，滑雪项目有6个。雪，自然成为场地建设的重中之重。
雪从何来？
自然不能靠降雪。天气本身是个不稳定因素，此外，天然雪密度小，重量较轻，滑雪体验不如质地更结实的人工雪。因此，在大型滑雪场和奥运场地，自动化的造雪机必不可少。
然而，传统造雪机往往射程范围小、造雪质量不高，如想变换造雪范围，还需人工辅助。近些年，中国冰雪产业遍地开花，各地滑雪场的造雪工作量只增不减，由此引发的机械成本和人工成本攀升，困扰诸多滑雪场经营者。
怎样以较低的技术和人工成本实现更大造雪量？灵感，就来自于马路边的电线杆。年的一天，张长生到崇礼万龙滑雪场商谈业务，驱车返程路上，窗外一根根向后退去的电线杆引起他的思考：造雪机的原理是用机器将原本3—4℃的水喷射到至少-2℃的环境中，水经过冷却变成小冰粒。如果喷射距离过短、范围固定，会导致该区域温度升高，甚至达到零度以上，从而影响人工雪质量。如果用电线杆似的支架把造雪机架起来，让它“站”得更高，喷射距离远，造雪覆盖面大，水在空中停留更长时间，造出的雪质不也就更扎实了吗？
▲宏达公司生产的造雪机支架。受访者供图
说干就干。画草图，做设计，生产研发……年4月，国内首台塔式造雪机旋转支架样品在宏达公司诞生。巧合的是，同年7月北京成功申办年冬奥会。消息一出，多家国外造雪机厂商纷纷寻求合作，欲将自己的造雪机和宏达生产的旋转支架“捆绑”，一同参与年冬奥会相关设备采购招标。最终，意大利一家公司与宏达一并中标，成为延庆赛区“高山速降”比赛场地的造雪设备供应商。
▲天冰冰雪设备（张家口）有限公司的工人在生产车间内查验造雪机。新华社记者牟宇摄
“目前我们已为延庆赛区提供了76个造雪机旋转支架，另一个比赛场地崇礼云顶滑雪场也在使用我们的支架。”张长生介绍，他们生产的旋转支架高8米，臂长9米，有了它作支撑，原本射程四五十米的造雪机现在能达80米左右。借助远程遥控，造雪机支架还可以度旋转，帮助造雪机实现“扬头”“低头”等操作。
银色的“黑科技”：滑雪不再受制于天气
一位运动员穿戴着传感器设备，在12米长的钢制滑台上急速摆动滑行。前方电子屏幕上的模拟滑雪赛道，正随着他的滑行动作迅速变换场景。
这套“室内多自由度模拟滑雪训练系统”，由北京理工大学自动化学院联合运达体育管理（北京）有限公司研发，为高山滑雪、越野滑雪等项目提供室内模拟训练设备，以提升运动员回转、滑行等专项动作训练效率。
▲北京理工大学研发的模拟滑雪训练系统。受访者供图
最初，国家高山滑雪队用的可不是这套设备，而是国外引进的直线式模拟滑雪运动设备。项目组进驻国家队训练基地，细心观察运动员试用情况，获取了大量一手资料，并根据中国运动员的体型、身高等数据改进设备，研发出3套国产室内多自由度模拟滑雪系统。
项目主要研发人员之一、北京理工大学自动化学院副教授陈振介绍，这套系统包括模拟滑雪训练平台、六自由度平台、运动形态识别与位姿测量系统和用于展示滑雪场景的电子大屏。练习时，运动员可选择“奥运赛道”模式，设定“过旗门”“大回转”“小回转”等具体训练内容。滑台下方的六自由度平台能模拟高低、倾斜、偏转等姿态，还原运动员在真实滑行中可能遇到的各种赛道状况。运动员可穿戴的运动形态识别与位姿测量系统，则用于采集分析运动员训练数据，为科学化训练提供指导依据。
“滑完一个赛道后，教练员结合数据进行点评，纠正运动员存在的问题。”陈振说，通过高速动态摄像捕捉，运动员的一些关键动作将被记录下来。“系统会回放运动员的滑行姿态，并设有‘优秀运动员模型’用于对比分析。比如过旗门时如何保证不减速、不撞门，通过对比来发现并解决训练中的问题。”
陈振口中教练员点评用到的数据，源于运动员所穿的“暗藏玄机”的运动服——17个记录人体运动和姿态信息的传感器被缝制在运动服中。只需穿上这套服装开展练习，运动员的滑行角度、角速度等关键数据就能被记录下来，辅助教练员进行数字化、多维度的技术动作分析和训练指导。
绿色的“黑科技”：最环保冰面“冰丝带”
“冰丝带”实现最环保、最低碳冰面。国家速滑馆“冰丝带”，是世界上首个采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术的冬奥速滑场馆，该技术是目前世界上最先进环保的制冰技术，碳排放值趋近于零，制冰能效大幅提升。据了解，赛后冰面可进行分区制冷，对每块冰单独控温，实现场馆“同时运行、不同使用”。场馆制冰系统集成设计和冰板结构设计两个关键设计方案已取得专利。
冬夏项目双向转换成场馆标配。年北京冬奥会期间“水立方”将变身成“冰立方”，承接冰壶和轮椅冰壶项目的比赛。为了实现“冰水转换”，需要在泳池上架设冰壶赛道，在保有水上功能的基础上新增冰上功能，即在比赛大厅中部搭建可转换结构和安装可拆装制冰系统，配合升级后的空调、除湿系统，这在冬奥会历史上还是首次。
场馆%使用清洁能源。早在年7月1日，国家体育场(鸟巢)、国家游泳中心(水立方)等第一批7家北京冬奥会场馆和配套服务设施就已正式用上绿色电能。北京市重大项目办城区场馆建设处处长*晖表示，随着去年6月世界首条50万伏张北柔性直流输变电工程投用，来自张家口的风电、光伏电能等绿色清洁电能正式进入北京，到年所有场馆将实现%使用绿电。另外，北京冬奥会的场馆设施在赛后将实现长久利用和可持续利用，实现惠民、运动与城市、区域发展等方面的多赢局面，并打造奥运体育产业链。
透明的“黑科技”：高精度镜头精准“捕捉”运动员冰上轨迹
围绕科学备战北京冬奥会、有效提升冬季运动项目训练水平，连日来，在首都体育学院的滑冰馆内，北京理工大学光电学院仪器研究所副教授刘明带领团队，一遍又一遍测试一项助力北京冬奥会的“黑科技”。
这项“黑科技”是一个速度滑冰运动分析课题，主要是借助“云台变焦运动轨迹采集与动作捕捉分析”“冰场全景图像采集与运动轨迹分析”两套系统，记录运动员的速度滑冰、短道速滑、花样滑冰等冰上运动轨迹和动作，还能精准分析每一名运动员的动作轨迹。
“我们把运动员的运动过程通过连续变焦跟踪特写及全景采集的方式记录下来，再对其动作和轨迹进行分析，便于优化技术动作，帮助运动员、教练员实现科学化训练。”刘明介绍，这个项目将为北京冬奥会冰上项目训练提供科技助力，为运动员制定训练计划、研究比赛策略等提供精确参考。
这项“黑科技”的最大特点是将云台变焦技术应用于运动测量，运动员不需穿戴式设备，即便在很大范围内活动，仍可精确获得其运动数据。刘明说，下一步，团队将进一步改进升级系统，增加采集机位数量，提高图像解析度，让分析结果更加精准。
还有弯道瞬间加速、“飞扬”火炬、航空气象保障系统、激光测风雷达……这些层出不穷的“黑科技”为冬奥会增添了太多色彩。
期待冬奥会更多新技术的亮相！
读创科技综合自科技日报、海外网、腾讯网、中国教育报
审读：孙世建