Warum hat ein Nanomaterialforscher Ihre Leidenschaft für den Bahnradsport entfacht?

Was haben Nanowissenschaftler im Bahnradsport getan, um die Grenze von 0,0001 Sekunden zu durchbrechen und den Wettkampf fairer zu gestalten?

Am 21. Juli 2024 hielt Zhang Ting, angesehener Gastforscher am Institut für Sportwissenschaft der Allgemeinen Sportverwaltung Chinas und Mitglied des Suzhou Institute of Nanotechnology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, bei der Themensitzung „Die Olympischen Spiele mit wissenschaftlichen Augen betrachten“ des Science Popularization China Starry Sky Forum eine Rede mit dem Titel „Die Grenze von 0,001 Sekunden durchbrechen“.

Das Folgende ist ein Auszug aus Zhang Tings Rede:

Hallo zusammen, mein Name ist Zhang Ting vom Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Mein Forschungsschwerpunkt sind intelligente Mikro-Nano-Sensormaterialien und -geräte. Vereinfacht ausgedrückt geht es dabei darum, Nanomaterialien und -strukturen zu verwenden, um hochempfindliche und schnell reagierende intelligente Sensorgeräte zu entwickeln.

Wie sorgen unsere Sensoren also für Begeisterung bei den Olympischen Spielen?

Bei den modernen Olympischen Spielen zählt jede Millisekunde und sogar jede Mikrosekunde. Dies gilt insbesondere für den Bahnradsport, wo moderne Bahnräder Geschwindigkeiten von über 20 Metern pro Sekunde erreichen können und der Unterschied zwischen Spitzensportlern oft nur Millisekunden beträgt.

So gewann beispielsweise 2016 bei den Olympischen Spielen in Rio im Einzelsprintfinale der Frauen im Bahnradsport eine deutsche Athletin mit einem Vorsprung von 0,004 Sekunden die Goldmedaille. Deshalb ist bei den Olympischen Spielen jede Tausendstelsekunde äußerst wichtig.

Wir haben einen Slogan: „Für eine Tausendstelsekunde alles Mögliche tun.“ Wir hoffen, mit Hilfe von Wissenschaft und Technologie sowie interdisziplinärer Forschung die Grenze von 0,001 Sekunden zu durchbrechen.

Hochpräzises Zeitmesssystem ist erforderlich

Für Bahnradwettbewerbe ist ein hochpräzises Zeitmesssystem unerlässlich.

Derzeit gibt es weltweit zwei olympisch anerkannte Zeitmesssysteme, die beide von ausländischen Unternehmen monopolisiert werden. Da ausländische Zeitmesssysteme speziell für Veranstaltungen entwickelt werden, sind sie sehr teuer und kosten mehr als 2 Millionen RMB pro Satz. Ihr Betrieb erfordert die Zusammenarbeit mehrerer Personen und ihre derzeitigen Funktionen können den individuellen Bedürfnissen von Trainern und Ausbildern nicht gerecht werden. Gleichzeitig ist unsere Nationalmannschaft immer noch in der Methode der manuellen Zeitmessung oder Videoanalyse gefangen, die nicht nur ungenau, sondern auch zeit- und arbeitsintensiv ist und nur langsames Feedback liefert.

Wie funktioniert ein hochpräzises Zeitmesssystem? Es handelt sich um ein auf der Schiene installiertes Druckerkennungsband. Wenn ein Fahrrad das Erkennungsband passiert, erzeugt es ein elektrisches Signal, das von der Tracking-Box empfangen und verarbeitet wird, wodurch die Zeitmessung erfolgt. Solche Systeme sind nicht nur teuer, sondern weisen auch erhebliche Mängel auf.

Beispielsweise der Druckerkennungsgurt. Derzeit werden im Ausland zwei Lagen gebogener Kupferbleche verwendet, um die Druckerkennung bei Fahrrädern durch Kontakt und Trennung zu erreichen. Dies führt zu zwei entscheidenden Fragen:

Eines davon betrifft Materialien. Wenn ein Fahrrad mit hoher Geschwindigkeit durch das Erkennungsband fährt, kollidieren die beiden Kupferblechschichten und erzeugen starke statische Elektrizität, die das System beeinträchtigt und zu einer ungenauen Signalüberwachung führen kann.

Das zweite Hauptproblem liegt in den zwei Lagen gebogener Kupferbleche, die das Druckerfassungsband relativ dick machen, ähnlich einer Bodenwelle beim Überfahren einer Bremsschwelle. Wenn während des Wettbewerbs ein Fahrrad mit hoher Geschwindigkeit durch dieses erhöhte Erkennungsband fährt, kommt es ebenfalls zu einem kurzen Aufprall, der das Fahrrad verlangsamt. Dies kann große Sicherheitsrisiken mit sich bringen, das Sturz- oder Verletzungsrisiko der Athleten erhöhen und ist außerdem für den Rennsport sehr ungünstig.

Daher müssen wir dringend ein fortschrittlicheres, hochpräzises Zeitmesssystem mit unabhängigen Rechten am geistigen Eigentum entwickeln, um eine inländische Substitution zu erreichen, die für die Verbesserung der Kernwettbewerbsfähigkeit des Bahnradsports meines Landes von großer Bedeutung ist.

Der Schlüssel zum Erreichen dieses Ziels liegt in der Durchbruchsetzung bei der unabhängigen Forschung und Entwicklung von Kernsensorkomponenten hochpräziser Zeitmesssysteme, darunter Hochleistungs-Druckerkennungsbänder, Tracking-Boxen, Startbefehlskonsolen und Softwaresysteme usw.

Wie erreichen Sie Ihr Ziel?

Um einen fortschrittlicheren Druckerkennungsgürtel zu entwickeln, haben wir auf innovative Weise Nanotechnologie eingesetzt, um ein Verbundmaterial aus Kohlenstoffnanoröhren zu entwerfen, das sehr druckempfindlich ist.

Kohlenstoffnanoröhren sind ein einzigartiges leitfähiges Nanomaterial mit einem Durchmesser, der 10.000 Mal kleiner ist als ein Haar, und einer Zugfestigkeit, die 100 Mal so hoch ist wie die von Stahl. Sie können das Problem zu dicker Druckbänder lösen.

Der nächste Schritt besteht darin, das Genauigkeitsproblem zu lösen.

Zu diesem Zweck hat sich unser Team viele Möglichkeiten überlegt und schließlich war es der Spielstock, der uns in unserer Kindheit so viel Freude bereitet hat und der uns als Inspiration diente. Verstreute Spielstäbe können zu einem Netzwerk miteinander verbunden werden. Sie können sich vorstellen, dass, wenn Kohlenstoffnanoröhren ebenfalls auf diese Weise miteinander verbunden werden, um ein solches Netzwerk zu bilden, die Störung einer einzelnen Röhre die Leistung des gesamten Netzwerks erheblich beeinträchtigen kann.

Durch das ausgeklügelte Materialverbundverfahren kann sich dieses leitfähige Kohlenstoffnanoröhren-Nanomaterial verteilen und zu einem Netzwerk verweben. Wenn ein Fahrradrad schnell darüberfährt, verändern Millionen von Kohlenstoffnanoröhren in dem kleinen Raum unter dem Rad ihre Morphologie und ihre elektrischen Eigenschaften, was zu schnellen und erheblichen Schwankungen im leitfähigen Netzwerk führt. Auf diese Weise können wir den Moment, in dem das Fahrrad das Erkennungsband berührt, genau erfassen.

Kohlenstoffnanoröhren zu leitfähiger Tinte verarbeiten

Mit den oben genannten Konstruktionsprinzipien besteht der nächste Schritt darin, hochempfindliche flexible Drucksensorstreifengeräte zu realisieren und durch wiederholte Experimente in Massenproduktion zu bringen, was auch eine der zentralen Herausforderungen darstellt. Dazu sind langfristige, wiederholte Erkundungen, Versuche und Irrtümer sowie Iterationen erforderlich.

Zunächst dispergieren wir die Kohlenstoffnanoröhren in einem Reagenz, um eine gleichmäßige zusammengesetzte leitfähige Tinte herzustellen. Seine Vorteile sind eine gute Gleichmäßigkeit und eine kontrollierbare Fließfähigkeit. Es kann auch durch Drucken oder 3D-Druck auf viele flexible Trägermaterialien gedruckt werden.

Anschließend optimieren wir kontinuierlich den Druckvorgang und regulieren die physikalischen und chemischen Eigenschaften des flexiblen Substratmaterials, um sicherzustellen, dass zwischen dem flexiblen Substrat und dem Kohlenstoffnanoröhren-Verbundfilm eine sehr starke Bindungskraft besteht und so die Stabilität des Geräts erhöht wird. Auf diese Weise können empfindliche Materialien beim Biegen und Gebrauch nicht von der Oberfläche des flexiblen Substrats abfallen. So haben wir diesen neuen Typ flexibler Drucksensoren erhalten, der leicht, dünn und weich ist.

Es ist nur 0,3 mm dick, so dünn wie ein Blatt Papier. Daher kann die Erkennungsgenauigkeit bei schneller Vorbeifahrt des Rades erheblich verbessert werden, ohne dass das Fahrrad langsamer wird, was die Sicherheit erheblich verbessert. Derzeit kann unser flexibler Druckerkennungsgurt eine Länge von 8 Metern haben und mehr als 1 Million Mal wiederholtem Überrollen durch Fahrräder bei einer Geschwindigkeit von 90 Kilometern pro Stunde standhalten.

Auf dieser Grundlage haben wir die Schwierigkeiten der massenintegrierten Formgebung flexibler Drucksensoren weiter überwunden und durch flexible Verpackung und Schnittstellendesign ist es uns schließlich gelungen, hochpräzise flexible Druckerkennungsbänder für die Verfolgung und Zeitmessung im Bahnradsport in Massenproduktion herzustellen.

An diesem Punkt haben wir den ersten Schritt zur Entwicklung eines hochpräzisen Zeitmesssystems abgeschlossen.

Als nächstes haben wir dieses weltweit erste flexible Druckerkennungsband verteilt auf den Bahnradbahnen in den Trainingsstätten Pekings eingesetzt. Es gibt mehr als 7 davon. Dies ist das Video von Athleten, die nacheinander durch die flexiblen Druckerkennungsgurte gehen.

Kontrollieren Sie den Zählfehler innerhalb einer Zehntausendstelsekunde

Der zweite Schritt unserer Forschung besteht darin, die von diesen flexiblen Druckerkennungsbändern erkannten Signale schnell und synchron zu übertragen und zu verarbeiten, was ebenfalls eine Herausforderung darstellt.

Zu diesem Zweck haben wir uns mit Professor Zhong Daidi und Professor Huang Zhiyong von der Universität Chongqing zusammengetan, um ein verteiltes Zeitsynchronisationsnetzwerk aufzubauen, mit dem der gesamte Zählfehler auf eine Zehntausendstelsekunde genau kontrolliert werden kann.

Darüber hinaus reiben beim Fahren mit einem Bahnrad bei hoher Geschwindigkeit die Reifen und der Boden ständig aneinander, wodurch sich eine große Menge elektrischer Ladung ansammelt. Bei Kontakt mit dem Druckband kommt es zu einer starken Entladung von über 10.000 Volt, die die Genauigkeit der Informationserfassung und die Sicherheit des Systems erheblich beeinträchtigt.

Aus diesem Grund haben wir eine Reihe von Methoden wie präzise Entladung, Hardware-Isolierung und Software-Filterung eingesetzt, um eine unschädliche Verarbeitung einiger starker Störsignale zu erreichen, die von der Außenwelt erzeugt werden können. So wird die Genauigkeit der Datenerfassung sichergestellt und gleichzeitig die Sicherheit des Systems gewährleistet.

Kontrollieren Sie die Öffnungszeit des Starttors genau

Vor dem Start wird das Bahnrad durch den Starter gesteuert. Nachdem der Start-Countdown abgelaufen ist, verzögert das Zeitmesssystem den Anlasser um 100 Millisekunden, und die Athleten reagieren schnell und starten.

Dabei handelt es sich um die dritte Kernkomponente des hochpräzisen Zeitmesssystems: die Startkommandokonsole.

Dabei ist die Reaktionsgeschwindigkeit des Sportlers entscheidend für die Leistung. Im Allgemeinen trainieren Sportler wiederholt auf der Grundlage der Öffnungszeit des Starttors, um ein Muskelgedächtnis aufzubauen.

Gleichzeitig erfordert dies auch, dass wir bei der Konstruktion der Startvorrichtung die Öffnungszeit des Tors genau steuern, und die Steuerungsgenauigkeit muss eine Tausendstelsekunde erreichen. Andernfalls kommt es zu einem „Fehlstart“, wenn es zu früh ist, und zu spät ist, beeinträchtigt es die Leistung des Sportlers.

Das Öffnen des Tores ist eine mechanische Bewegung. Es ist sehr schwierig, die Genauigkeit der mechanischen Bewegung in so kurzer Zeit zu kontrollieren. Wir haben mit einem Team der Universität Chongqing zusammengearbeitet und Hochgeschwindigkeitskameras in Kombination mit hochpräzisen Steuerungsalgorithmen verwendet, um eine präzise Kontrolle über die Öffnungszeit des Tors zu erreichen und den Fehler innerhalb einer Zehntausendstelsekunde zu halten.

Auf der Grundlage der oben genannten Forschungsergebnisse haben wir im Rahmen interdisziplinärer Forschung mit mehreren Gruppen zusammengearbeitet und schließlich ein hochpräzises Zeitmesssystem entwickelt, das die 0,001-Sekunden-Grenze durchbrochen hat.

Auch in Zukunft werden wir die Optimierung fortsetzen, beispielsweise durch die Einführung ausgefeilterer Mikro-Nanostrukturen und durch die Optimierung der mechanischen und elektrischen Modelle, die weitere Verbesserung der Druckwahrnehmungsempfindlichkeit des flexiblen Zahnriemens und die Steigerung der Zeitgenauigkeit auf den Mikrosekundenbereich.

Tatsächlich können diese Technologien nicht nur bei Bahnradwettbewerben, sondern auch bei anderen Sportveranstaltungen wie Fechten und Boxen eingesetzt werden. Diese flexible intelligente Sensortechnologie kann verwendet werden.

Gleichzeitig kann unsere flexible, intelligente Sensortechnologie auf Basis der Nanotechnologie die Systeme zur Erfassung, Übertragung und Verarbeitung von Informationen besser koordinieren, um Zählfehler zu reduzieren. Durch intelligente Algorithmen, die Kombination mehrerer Technologien und ein Rasterlayout können wir eine genaue Echtzeitwahrnehmung der Position und Geschwindigkeit des Fahrrads erreichen, wodurch der Bahnradsport in ein umfassendes intelligentes Zeitalter eintritt und der Sport wissenschaftlicher wird.

Wie können neue Materialien sonst noch eingesetzt werden, um den Widerstand zu verringern?

Tatsächlich ist die Anwendung neuer Materialien und neuer Technologien bei den Olympischen Spielen nicht darauf beschränkt.

Wir untersuchen außerdem die Möglichkeit, den Fahrradwiderstand durch die Einbeziehung bionischer Konstruktionen zu verringern und haben dabei einige Fortschritte erzielt.

Wir haben uns mit Professor Yuan Weizheng und Professor He Yang von der Northwestern Polytechnical University zusammengetan, um Rahmen, Räder, Lenker, Fahrradbekleidung, Helm und die Fahrhaltung jedes Fahrers in einem Windkanal zu testen und zu messen, um Wege zu finden, den Luftwiderstand in diesen sechs Bereichen zu reduzieren.

Wir haben uns an der einzigartigen zungenförmigen fraktalen Sandkammstruktur der Kumtag-Wüste in Xinjiang, meinem Land, orientiert. Das wellenförmige Muster der Sandrückenoberfläche kann den Windfluss beeinflussen und eine relativ gleichmäßige Widerstandsverteilung bilden. Durch diese Verteilung kann der Wind beim Durchqueren der Sandrücken eine höhere Geschwindigkeit und Strömungsrate beibehalten, wodurch Widerstand und Energieverlust verringert werden.

Inspiriert von diesem bionischen Design haben wir den weltweit ersten sandkammartigen, widerstandsreduzierenden Film mit Mikro-Nanostruktur entwickelt und hergestellt. Durch die Kombination von Theorien wie der Aerodynamik haben wir eine einzigartige Mikro-Nanostruktur für Fahrradrotoren und Helme entwickelt, mit der wir den Luftwiderstand um 3 % reduzieren konnten.

Gleichzeitig haben wir uns mit dem Team von Professor Su Weifeng vom United International College der Beijing Normal University-Hong Kong Baptist University zusammengetan, um mithilfe von Methoden der künstlichen Intelligenz wie intelligenten Algorithmen zur Bewegungsschätzung und Computer-Vision-Technologie Bewegtbilder effizient und intelligent zu analysieren. In Kombination mit Bodenzeitbändern haben wir ein mehrdimensionales, multimodales, präzises Zeit- und Raumurteil entwickelt, das Fehleinschätzungen bei Wettbewerben im Millisekundenbereich ausschließen kann.

Wir hoffen, durch die Schnittstelle mehrerer Disziplinen und die Kombination von Nanotechnologie, Bionik, KI-Technologie usw. die genaueste Uhr zu bauen, um den Wettkampf fairer zu gestalten und zum Motto „schneller, höher, stärker“ der olympischen Athleten beizutragen.

Planung und Produktion

Autor: Zhang Ting, angesehener Gastforscher, Institut für Sportwissenschaft, General Administration of Sport of China, Mitglied des Vorstands, Suzhou Institute of Nanotechnology, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Herausgeber: Yang Yang

Das Titelbild und die Bilder in diesem Artikel stammen aus der Copyright-Bibliothek

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