ナノマテリアルの研究者がなぜトラックサイクリングへの情熱を掻き立てたのか?

トラックサイクリングにおいて、ナノ科学者は0.0001秒の限界を打ち破り、競技をより公平にするために何をしたのでしょうか?

2024年7月21日、中国国家体育総局体育科学研究所の著名な客員研究員であり、中国科学院蘇州ナノテクノロジー研究所の会員である張庭氏が、科学普及中国星空フォーラムの「科学の目でオリンピックを見る」テーマセッションで「0.001秒の限界を突破する」と題する講演を行いました。

以下は張庭氏のスピーチからの抜粋です。

みなさんこんにちは。私は中国科学院蘇州ナノテクノロジー・ナノバイオニクス研究所の張婷と申します。

私の研究分野は、インテリジェントなマイクロナノセンシング材料とデバイスです。簡単に言えば、ナノ材料と構造を使用して、高感度で高速応答のインテリジェントセンサーデバイスを開発することです。

それで、私たちのセンサーはオリンピックとどのように火花を散らすのでしょうか?

近代オリンピックでは、1 ミリ秒、さらには 1 マイクロ秒も重要です。これは特にトラック サイクリングに当てはまります。現代のトラック バイクは秒速 20 メートルを超える速度に達することができ、トップ アスリート間の差はわずか数ミリ秒になることがよくあります。

例えば、2016年リオオリンピックの自転車トラック競技の女子個人スプリント決勝では、ドイツの選手が0.004秒差で金メダルを獲得しました。したがって、オリンピックでは1000分の1秒が極めて重要になります。

私たちのスローガンは「1000分の1秒のために全力を尽くす」です。私たちは科学技術と学際的研究の力を借りて、0.001秒の限界を突破したいと考えています。

高精度のタイミングシステムが必要

トラックサイクリング競技では、高精度の計時システムが不可欠です。

現在、世界にはオリンピックで認められた計時システムが 2 つ存在し、どちらも外国企業によって独占されています。海外の計時システムは競技専用に設計されているため、1セットあたり200万人民元以上と非常に高価です。運用には複数人の協力が必要であり、現状の機能ではコーチやトレーナーの個別ニーズを満たすことができません。同時に、わが国の代表チームは依然として手動のタイミングやビデオ分析の方法に固執しており、これは不正確なだけでなく、時間と労力がかかり、フィードバックも遅いです。

高精度タイミングシステムはどのように機能するのでしょうか?トラック上に設置する圧力検知ベルトです。自転車が検出ベルトを通過すると電気信号が発生し、追跡ボックスで受信および処理されてタイミングが達成されます。このようなシステムは高価なだけでなく、重大な欠点もあります。

例えば、圧力検知ベルト。現在、海外では二層の湾曲した銅板を使用し、接触と分離による自転車の圧力検知を実現しています。これにより、2 つの重要な疑問が生じます。

一つは材料についてです。自転車が高速で検知ベルトを通過すると、2層の銅板が衝突して強い静電気が発生し、システムに影響を与え、信号監視が不正確になる可能性があります。

2 つ目の重要な問題は、湾曲した銅板が 2 層になっていることにあります。これにより、圧力検出ベルトが比較的厚くなり、スピード バンプを通過するときのバンプと同じ状態になります。競技中、自転車がこの隆起した検知ベルトを高速で通過すると、短時間の衝撃が加わり、自転車の速度が低下します。これは大きな安全上の危険をもたらし、選手が転倒したり怪我をしたりするリスクを高め、またレースにとっても非常に不利となります。

したがって、自主的な知的財産権を持つ、より先進的で高精度な計時システムを早急に開発し、国内での代替を実現する必要があり、これは我が国のトラック・サイクリングのコア競争力の向上にとって大きな意義がある。

この目標を達成するには、高性能圧力検出ベルト、追跡ボックス、起動コマンドコンソール、ソフトウェアシステムなど、高精度タイミングシステムのコアセンサーコンポーネントの独立した研究開発を突破することが重要です。

目標を達成するにはどうすればいいですか?

より高度な圧力検知ベルトを開発するために、当社はナノテクノロジーを革新的に活用し、圧力に非常に敏感なカーボンナノチューブ複合材料を設計しました。

カーボンナノチューブは、髪の毛の1万分の1の細さの直径と鋼鉄の100倍の引張強度を持つ非常にユニークな導電性ナノ材料であり、加圧ベルトが厚すぎるという問題を解決できます。

次のステップは、精度の問題を解決することです。

この目的のために、私たちのチームはさまざまな方法を考えましたが、最終的に、子供の頃に私たちに大きな喜びをもたらしてくれたゲームスティックが私たちにインスピレーションを与えました。散らばったゲームスティックをリンクしてネットワークを形成できます。カーボンナノチューブもこのように連結されてネットワークを形成する場合、そのうちの 1 本でも乱れると、ネットワーク全体のパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があることは想像に難くありません。

高度な材料複合プロセスにより、この導電性カーボンナノチューブナノ材料が分散し、ネットワークに織り込まれます。自転車の車輪が高速で通過すると、車輪の下の小さな空間にある数千万本のカーボンナノチューブの形態と電気特性が変化し、導電ネットワークが急速かつ大幅に変動します。これにより、自転車が検知ベルトに接触した瞬間を正確に記録することができます。

カーボンナノチューブを導電性インクに変える

上記の設計原理を踏まえ、次のステップは、繰り返しの実験を通じて高感度フレキシブル圧力センサーストリップデバイスと量産を実現することであり、これもまた中核的な課題の 1 つです。これを実現するには、長期にわたる繰り返しの探索、試行錯誤、反復が必要です。

まず、カーボンナノチューブを試薬に分散させて均一な複合導電性インクを作ります。優れた均一性と制御可能な流動性が特徴です。印刷や 3D 印刷により、多くの柔軟な基板材料に印刷することもできます。

次に、印刷プロセスを継続的に最適化し、フレキシブル基板材料の物理的および化学的特性を調整して、フレキシブル基板とカーボンナノチューブ複合フィルムの間に非常に強力な結合力があることを確認し、デバイスの安定性を高めます。こうすることで、曲げたり使用したりする際に、敏感な材料がフレキシブル基板の表面から剥がれ落ちることがなくなります。こうして、軽くて薄くて柔らかい新しいタイプのフレキシブル圧力センサーが誕生しました。

厚さはわずか0.3mm、紙と同じくらいの薄さです。そのため、車輪が速く通過する場合、自転車の速度を落とさずに検知精度を大幅に向上させることができ、安全性が大幅に向上します。現在、当社のフレキシブル圧力検知ベルトは長さが8メートルあり、時速90キロメートルの自転車による繰り返し転がりに100万回以上耐えることができます。

これを基に、フレキシブル圧力センサーの大量統合成形の難しさをさらに克服し、フレキシブルパッケージングとインターフェース設計を通じて、トラックサイクリング追跡およびタイミング用の高精度フレキシブル圧力検出ベルトの量産を最終的に達成しました。

この時点で、高精度タイミングシステムの開発の第一ステップが完了しました。

次に、この世界初の柔軟な圧力検知ベルトを、北京のトレーニング会場の自転車競技トラックに分散配置しました。 7個以上あります。選手たちが次々と柔軟な圧力検知ベルトを通過する動画です。

カウント誤差を1万分の1秒以内に制御

私たちの研究の2番目のステップは、これらの柔軟な圧力検出ベルトによって検出された信号を迅速かつ同期的に送信および処理することですが、これもまた課題です。

この目的のために、私たちは重慶大学の鍾大迪教授と黄志勇教授と協力し、全体のカウント誤差を1万分の1秒以内に制御するための分散型時間同期ネットワークを構築しました。

さらに、トラックバイクを高速で走行すると、タイヤと床が常に擦れ合い、大量の電荷が蓄積されます。加圧ベルトに接触すると1万ボルト以上の強力な放電が発生し、情報収集の精度やシステムの安全性に大きな影響を与えます。

そのため、当社は精密放電、ハードウェア分離、ソフトウェアフィルタリングなどのさまざまな方法を採用し、外部から発生する可能性のある一部の強力な干渉信号を無害に処理し、システムのセキュリティを確保しながらデータ収集の精度を確保しました。

発射ゲートの開放時間を正確に制御

スタート前に、トラックバイクはスターターによって制御されます。スタートのカウントダウンが終了すると、タイミング システムはスターターをオンにするまで 100 ミリ秒遅延し、選手は素早く反応してスタートします。

これには、高精度タイミング システムの 3 番目のコア コンポーネントである開始コマンド コンソールが関係します。

このプロセスでは、アスリートの反応速度がパフォーマンスに非常に重要になります。一般的に、アスリートはスタートゲートの開場時間に基づいて繰り返しトレーニングを行い、筋肉の記憶を形成します。

同時に、始動装置の設計時にゲートの開放時間を正確に制御する必要があり、制御精度は1000分の1秒に達する必要があります。そうでないと、早すぎると「フライ​​ングスタート」を引き起こし、遅すぎるとアスリートのパフォーマンスに影響を及ぼします。

ゲートの開閉は機械的な動きです。このような短い時間で機械式ムーブメントの精度を制御するのは非常に困難です。私たちは重慶大学のチームと協力し、高速カメラと高精度の制御アルゴリズムを組み合わせて、ゲートの開放時間を正確に制御し、誤差を1万分の1秒以内に抑えました。

上記の研究をもとに、複数のグループと学際的な研究を通じて連携し、最終的に0.001秒の限界を突破した高精度のタイミングシステムを実現しました。

今後は、より洗練されたマイクロナノ構造の導入や、機械・電気モデルの最適化など、最適化を継続し、フレキシブルタイミングベルトの圧力感知感度をさらに向上させ、タイミング精度をマイクロ秒レベルまで高めることを目指します。

実際、これらの技術はトラック自転車競技だけでなく、フェンシングやボクシングなどの他のスポーツ競技でも使用できます。この柔軟なインテリジェントセンシング技術を活用できます。

同時に、ナノテクノロジーに基づく当社の柔軟なインテリジェントセンシング技術は、情報収集、伝送、処理システムをより深く調整し、カウントエラーを削減します。インテリジェントなアルゴリズム、複数のテクノロジーの組み合わせ、グリッドレイアウトを通じて、自転車の位置と速度をリアルタイムで正確に認識し、トラックサイクリングを総合的なインテリジェント時代へと導き、スポーツをより科学的なものにすることができます。

抵抗を減らすために新しい材料をどのように使用できるでしょうか?

実際、オリンピックにおける新素材や新技術の応用はこれに限りません。

また、バイオニックデザインを取り入れることで自転車の抵抗を減らす可能性も検討しており、ある程度の進歩を遂げています。

私たちは、西北工科大学の袁偉正教授と何楊教授と協力し、風洞内でフレーム、ホイール、ハンドル、サイクリングウェア、ヘルメット、各ライダーの乗車姿勢をテストおよび測定し、これら 6 つの領域での抵抗を減らす方法を見つけました。

私たちは、私の国、新疆ウイグル自治区のクムタグ砂漠の独特な舌状のフラクタル砂丘構造を参考にしました。砂丘表面の起伏のあるパターンは風の流れに影響を与え、比較的滑らかな抵抗分布を形成します。この分布により、風は砂の尾根を通過するときにより高い速度と流量を維持でき、抵抗とエネルギー損失が減少します。

このバイオニックデザインにヒントを得て、私たちは世界初の砂の尾根のようなマイクロナノ構造の抗力低減フィルムを設計・製造しました。空気力学などの理論を組み合わせて、自転車のホイールローターとヘルメット用の独自のマイクロナノ構造を設計し、3%の抗力低減率を達成しました。

同時に、私たちは北京師範大学・香港バプテスト大学連合国際学院の蘇偉鋒教授のチームと提携し、動き推定インテリジェントアルゴリズムやコンピュータービジョンテクノロジーなどの人工知能手法を使用して、動きのある画像を効率的かつインテリジェントに分析しています。地上のタイミングテープと組み合わせることで、ミリ秒レベルの競技における誤判定を排除できる、多次元かつマルチモーダルな正確な時間と空間の判断を実現しました。

私たちは、ナノテクノロジー、バイオニクス、AI技術などを組み合わせた複数の分野の交差点で最も正確な時計を構築し、競技をより公平にし、オリンピック選手の「より速く、より高く、より強く」に貢献したいと考えています。

企画・制作

著者: 張 婷、中国国家体育総局スポーツ科学研究所特別客員研究員、中国科学院蘇州ナノテクノロジー研究所理事

編集者: ヤン・ヤン

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