《设计》专访|刘莉:定制战衣 促成高性能运动

 华体会体育网页登录 新闻     |      2022-04-24 23:29

  刘莉,体育总局备战2022年北京冬奥会“中国冰雪科学家”,北京服装学院服装科技研究院院长、教授,博士生导师,天津工业大学顾问教授。香港理工大学、康奈尔大学访问学者等。主要研究方向为服装舒适性与功能、高性能服装研发。近五年来发表论文70余篇,授权发明专利9件,完成项目各类50余项。学术兼职全国纺织品标准化委员会智能纺织品工作组(SAC/TA209/WG1)副组长等。

  2019作为负责人获批国家重点研发计划《冬季运动与训练比赛高性能服装研发关键技术》项目。2021年获2017-2022全国体育先进个人、“纺织之光”2021年度教师、2021年“首都最美巾帼奋斗者”、2021年朝阳区“凤凰计划”领军人才等称号。

  《设计》:您的科研团队研究内容涉及纺织科学与工程、服装设计与工程、机械工程 (摩擦学)、热物理学、生物力学、体育科学六个学科,以解决“快、护、暖、美” 四个关键技术问题和产品创新,在工作过程中,各个学科之间是如何协作的?

  刘莉:现代体育是一个国家综合国力的体现,绝不仅仅是靠运动员的体能和竞技能力,中国国家队在这个冬奥周期实现了很多跨越,其中比赛服装装备就是其中的一个亮点。

  2019年,北京服装学院作为牵头单位联合共10家单位,获批重点研发计划项目《冬季运动与训练与比赛高性能服装装备研发关键技术》。我作为项目主持人,带领团队负责冬奥国家队训练与比赛服装研发,之后又受聘为国家体育总局“中国冰雪科学家”。

  最初由10个单位构成,接近200科研人员,因项目延展先后有30个跨学科单位共同参与,科研团队也超出纺织科学与工程、服装设计与工程、机械工程 (摩擦学)、热物理学、生物力学、体育科学六个学科,还有艺术设计学的专家也在后期加入。我们很有幸为 9支国家代表队的比赛服做了科技助力,攻克了“快、护、暖、美”四个关键技术,实现“战衣”的个性化和科学化定制,全面协助提升我国冬季项目国家队参赛水平。

  在这样一个面向冬奥赛场实际应用的综合性课题面前,既有科学问题,也有实际的工程问题,更需要用美学来提升国家软实力。我们多学科一直彼此促进,共同解决一个系统问题。以“减阻压力连身服”设计为例,我们花了两年时间才把它“啃”下来。清华大学、武汉体育学院做服装的减阻机理设计,上海体育学院进行生物力学评价,东华大学做减阻面料设计,广东德润纺织有限公司负责织造面料,安踏(中国)有限公司负责进行整体服装制作,北京服装学院执行风洞测试与效果反馈,并进行比赛服整体功能设计。

  整个研发链条形成上下游紧密的合作关系,展开 “基础研究—技术研发—装备研制—应用示范”全链条设计一体化实施方案,是具有挑战性的工作!

  刘莉:冬季运动强国大多分布在欧洲、北美,本届北京冬奥会前五强为挪威、德国、中国、美国、瑞典,冬季运动的发展状态可见一斑。中国的冬季运动起步晚,相当一段时间内普及度很低。国内面向冬季运动的装备研发更是零散、不成体系。

  科技部在2018年启动“科技冬奥”重点研发专项,针对办赛、参赛、观赛等冬奥会重大科技需求,围绕“零排供能、5G共享、智慧观赛、运动科技”等八个方面统筹设计任务。国家体育总局提出参赛等方面科技需求,推动设立了“比赛服及装备”项目,以实现“战衣”的个性化和科学化定制为目标。

  从2019年开始,在三年的研发时间中实现冰雪强国几十年的发展历程,这有我国现实发展的特点。首先,赶上中国全方位大发展,集中力量办大事是中国跨越式发展的法宝;其次,两部委全力推动。科技部科学化顶层设计,体育总局积极配置条件、推动项目成果在国家队训练和比赛中落地应用;再次,北京服装学院高度保障国家任务执行,提供条件保障、监督管理和服务保障。项目组10个单位汇集2个国家重点实验室、7个省部级重点实验室与基地、2个国家体育总局重点实验室。另外集结全行业优质企业加工资源共同备战;最后,团队成员们秉持高度的责任心,用“和时间赛跑”的精神赶超先进国家研发水平,用国家训练基地口号“一步也不能停、一步也不能错、一天也耽误不起”激励自己,把这样的备战精神投入到研发中。

  为了高效开展科研工作,团队成员经常要吃住在运动基地。研发工作又值疫情期间,执行最严格的疫情防控要求。为节约进出风洞实验室的时间,团队人员经常连续一周吃住在实验室,用速食维持这一周的营养供给。在2022年1月,我们最终验证了国家速滑队减阻“龙服”,非常放心地交付给国家队。为了保证每个运动员比赛服的合体性,去年初我们走遍全国10个国家运动基地,完成全部22支运动队400余名运动员的3D体型测量。

  超过一千天的努力,放弃节假日休息,攻克“快、护、暖、美”四个关键技术,实现竞速类项目服装、防护材料及装备、耐低温保障材料与服装、技巧类项目服装四类产品创新,实现“战衣的个性化和科学化定制,全面协助提升我国冬季项目国家队参赛水平。这届无与伦比的冰雪盛会,形成了中国冰雪运动的跨越式发展,也促成了高性能运动服装科技的大发展。

  《设计》:在以往的冬季运动比赛中,中国运动员的运动服装装备都是怎么解决的?我们的研发工作是否有样本可以参照借鉴?

  刘莉:在相当长的时间里,中国运动员的服装装备是由国外赞助品牌提供,其中比较有名的品牌是耐克(NIKE),这个品牌目前依然我国单板滑雪U型场地的赞助商。在2012年,耐克(NIKE)公司停掉了一些独具特色的服装研发项目,比如,Nike SWIFTSkin Suits这个曾经创造辉煌的冬季速度滑冰项目比赛服生产线也停止了研发,此前这款有效实现空气减阻的Nike比赛服在2002年盐湖城冬奥会上一经亮相,各国选手就创造了8项世界纪录,共获16块奖牌。此后,很多国家和品牌踊跃展开后续研发,但整体没有掀起新的革新型进展。

  近两个奥运周期,中国运动员服装装备大多数采用海外工作室定制或小型专业公司定制,贴赞助公司商标的方式。冬季项目先后有一些国产品牌作为赞助商,如安踏、361°,也有国外传统运动品牌,如耐克(Nike)、鲁特(Icepeak)、哈迪(Halti)作为运动队赞助商。但由于一些冬季项目的特殊性,品牌商通过购买成熟产品的形式获得产品,这类比赛装备往往缺乏尖端科技,直白地说,就是外国品牌不会把最优秀的科研成果输出给我们,他们会留给自己国家的队伍。在这样的背景下,我国必须要摆脱依靠进口,自己来解决关键问题,自己掌握核心科技,实现自主定制比赛服。

  团队在研发之初,首先通过文献、实物、运动队走访等方法,获取可得的有效信息,也通过各支队伍打世锦赛等国际大赛获得国外选手比赛服的发展状况。我们还聘请了加拿大奥委会成员、气动力学专家Len Brownlie做项目专家,他带来了Nike SWIFTSkin Suits连身服作为对比样。从国外购买到自主研发,从此冬季国家队运动员服装翻开了崭新的一页。项目研发的进度和时效性都很紧张,奥运赛场将成为最终检验的场合,对团队既是压力也是巨大的推动力。经过1000多个日夜的奋战,我们最终做到了。

  刘莉:项目整体实现了对9支冬季国家队的助力,一般我们会说每一个专项研发都很重要。但在长达三年多的过程中,有两个时刻给我个人留下了很深刻的印象,对团队顺利开展下一步工作也形成激励。

  开始接触国家队是在2018-2019年赛季。2019年3月花滑世锦赛开赛在即,双人滑选手隋文静、韩聪先在加拿大做了比赛服装,后需要在短期内做出调整,体育总局冬季运动管理中心直接联系了我,要在3周内完成6套比赛服的设计和制作工作。研发工作得到了赵宏博主教练、申雪主席、运动员组合、编舞教练的大力支持。很幸运的是,这两位选手在世锦赛中夺得了金牌。当好消息从前线传来,我们整个办公室的老师都起立欢呼。成绩属于运动员,但对参与项目的设计师、工艺师来讲是个巨大的激励!团队第一次切实地感受到:我们的工作能够直接助力运动员。这个良好的契机成为我们科技助力故事的开端。

  另一件记忆深刻的事情是在2021年9月26号,速滑国家集训队高亭宇用微信发来了他在新疆参加“中国杯”比赛时的画面。当天他穿着团队做的第七版样衣,取得33秒83的个人最好成绩,创造了本赛季世界最好成绩,也是世界500米项目第三好成绩。在做最“快”的减阻连身服时,经过2年的时间跨越从模型到成衣,先后五次向苟仲文局长汇报进展。集合了五个学科的知识要点,并且把目标首先放在速度滑冰这个项目上。在风洞里进行了超500小时的测试,从模型入手,到减阻面料制造,56种减阻服装结构对比筛选,连身比赛服整衣对比,直至选出最适合中国运动员技战术特点的设计,风洞测试阻力下降超10%,在此基础上为高亭宇做了七版测试样衣。一切在规划之中,一切又在验证当中,接到高亭宇发来的信息时,整个团队感受到巨大的激励!

  我们深知“0.01秒就会决定一块奖牌的归属”!服装科研的背后有强大的国家实力,科技部、体育总局着眼顶层设计,加大研发力度,体育总局在2020年建成2大2小体育风洞,对冬季项目每支队伍进行了运动姿态的科学化评价和矫正。苟仲文局长亲自推动参与减阻比赛服的科技研发,提出“站不起来”的服装原型。研发团队笃力践行,终于在“中国杯”上得到验证。

  在北京冬奥会赛时16天,每一个项目取得佳绩的时候,都是团队的难忘幸福时刻,在我们助力的9个项目上共收获了6块金牌,实际上每天都充斥着幸福感。尤其,当短道速滑首金以0.016秒优势胜出,全社会掀起对冬季项目特点的大讨论,也是我们的难忘时刻!

  《设计》:此次针对冬奥冰雪运动员服装的技术攻关直接填补了我国冬季运动竞技比赛服研发的空白,开创了高性能冬奥比赛服中国自主研发新,这当中创新研发了哪些材料、技术“黑科技”?接下来,您和团队还将进行哪些后续研发工作?

  刘莉:团队在研发过程中做了很多创新工作。就像广泛被媒体报道的,新型减阻服装研发中引入风洞技术作为评价手段。此前风洞主要被应用于航空、航天、汽车制造、建筑等领域,系统化将风洞测试应用于高性能服装评测在国内尚属首次。在速滑滑冰、短道速滑、钢架雪车、高山滑雪四个速度类项目上都实现了有效助力,其中三个项目上阻力下降超10%。

  在减阻型连身服的生产过程中,参考中国运动员体型特征,根据不同项目的运动姿态、速度特点,通过流体动力学仿真技术构建三维空气动力模型,在全球范围内筛选并自主研发减阻面料、设计减阻结构,进行风洞综合验证。动态测试柔性人台,通过3D打印的方式1:1还原运动员形态,目前北京冬奥会的奖牌选手的体型数据大都已经在我们的数据库中。项目组研发了几十种速度项目的微结构面料,使用经编织造、胶印、金属模板压印、激光微刻等方式,在本届冬奥会上使用。其中首日短道速滑“龙服”一经亮相就引起广泛关注,助力短道项目获得2金1银1铜,多个项目也在减阻结构上有突破。赛时我一直作为保障人员,为钢架雪车比赛服帽型和号码背心做减阻调整,亲历钢架队从“0”到获得奖牌的历史跨越。

  比赛服须兼顾减阻和防护作用,尤其是重点部位保护。项目组采用耐低温材料以及新型柱状阵列式抗冲击结构,根据国家高山滑雪、自由式滑雪大跳台国家队队员的身体数据为其定制在低温环境下仍具有柔软度、能有效分解外力的防护装备。短道项目的危险性很高,被冰刀划伤就是大伤。国际滑联(ISU)对面料做出严格的规定,简单讲就是“冰刀划不破”。项目组研发的面料性能已经完全超过了海外制作,并且符合将于2022年7月启用的国际滑联(ISU)新规定,达到欧洲标准EN388规定的Level 3。

  针对运动员训练条件艰苦,时常出现冻伤等情况,项目组研发空气锁®微纳米纤维絮片,具有轻质保暖、蓬松度高、柔软舒适、可水洗、可干洗等优点,且洗涤后回弹性好、保暖率保持性好。总体性能指标已超越国际先进水平,产品保暖性是国外标杆品牌的2倍,重量仅为羽绒的十分之一。

  自由式滑雪空中技巧项目裁判的评分对于赛成绩至关重要。团队基于运动员体态与核心动作进行三维建模模拟,探索赛服色彩、纹样等对于裁判评分的影响,进行赛服的优化设计和雪板头盔的整体搭配。

  以上这些成果都是在本届奥运周期的实际应用。未来我们将以提升纺织服装领域创新能力为目标,继续专注于高性能体育服装研发:①创立体育装备科学研发体系,服务国家重大项目需求。研发方向拓展到夏季运动项目,助力“体育强国”发展;②搭建国际一流研究平台。目前已筹备与相关企业联合成立实验室,搭建具有国际先进水平的研发平台;③建设运动服装装备学生培养体系。结合本科教学和研究生培养计划,为行业储备专业人才;④完善产业创新链条,提升企业核心竞争力。度打造自主知识产权产品,提高核心竞争力,实现关键装备“中国造”。

  《设计》:此次冬奥冰雪运动员服装的自主研发成果申请了哪些专利?“‘堡垒’综合保暖系统”等是否有进一步开发为民用的商业价值?

  刘莉:研发团队在“快、护、暖、美”四个关键技术方面的专利储备共有30余项。其中,发明专利有24项,包含比赛服立体板型生成算法及获得方法方面、服装压力测试与生物力学模型建模方法方面、滑雪内衣针织结构和工艺制备方面、风洞测试用服装装备人台方面、保暖材料及工艺制备方面等多个方面的专利。多项专利成果在2022冬奥会赛场上得到应用,助力我国运动健儿实现突破。

  “‘堡垒’综合保暖系统”是专门为国家队运动员在低温环境下展开训练的一个具体产品,在2个赛季中应用。它包含材料科技和智能温控设计两方面。高效保温材料为空气锁®微纳米纤维絮片,具有轻质保暖、蓬松度高、柔软舒适、可水洗、可干洗等优点,且洗涤后回弹性好、保暖率保持性好,总体性能指标已超越国际先进水平。智能加热产品应用柔性加热织物与温湿度传感器一体化集成及智能精准控温。大项目组已先后向各运动队提供“堡垒”综合保暖系统、加热夹克、快拆加热雪裤、加热手套等多种形式的智能加热产品超 3000 套(件),全面覆盖冬季国家运动队。

  把专项研发转入民用是我们相当重视的下一步工作,目前在与品牌探讨转化,形成可贵的“奥运遗产”。

  《设计》:此次承接“科技冬奥”重点专项“冬季运动与训练比赛高性能服装研发关键技术”项目,为北京服装学院积累了怎样的经验和财富?

  刘莉:在北京服装学院牵头项目之后不久的2019年12月,国家体育总局冬季运动管理中心与北京服装学院共建了“国家冬季运动服装装备研发中心”,双方联合协力推动国家队服装装备研发。2021年末,北服依据学校特色发展,整合研发中心成立了服装科技研究院,把服装科技创新提到新层次。

  “快、护、暖、美”高性能运动服装研发成果展先后收到国家体育总局冬季运动管理中心、花样滑冰集训队发送的感谢信以及接收函。这里面体现了祖国的强大、中国体育的崛起和北服的组织力、设计力、科技力,体现了北服科技创新和服务国家重大需求的能力显著提升。

  回望过去备战周期,依托国家重点研发项目计划,北服作为牵头单位联合6所高校、4个企业联合攻关,与各个项目参与单位深入合作,形成科学系统且协同融合冬奥备战保障模式,突破了一批关键科学与技术问题。初步建立跨学科的冬季项目训练与比赛服装材料选型、功能设计、样衣制作、工效分析于一体的科教融合平台,推动冬季运动服装产业链发展,带动大众冰雪产业发展。这些优势将持续下去,保持北服在运动服装领域的优势地位。

  项目执行中,大量研究生的参与,锻炼了学生和专业管理机构、高水平运动队的对接沟通能力、需求挖掘能力和团队合作能力。学校积极将研究生培养融入国家科技创新体系,将国家需求、设计研发、产品评价引入实践项目,引导研究生实践创新能力培养,探索“科教结合”新模式,助推2023年博士点申报。

  展望未来,我们将继续保持北服的组织力、设计力、科技力,围绕高水平特色大学建设,坚持国际一流、中国特色、首都特质,契合产业新定位,立足国家战略和服务北京“四个中心”定位,树立首都意识,建设特色鲜明、国际一流时尚高校。