體育場上的高科技神器

孫世杰

智能足球——給裁判一雙慧眼

喜歡足球的人，大都知道讓人糾結的“門線懸案”。

2011年4月英超聯賽，切爾西隊迎戰熱刺隊。球員蘭帕德一腳勁射，足球直奔球門，對方門將戈麥斯側身把球“撈住”。這時，邊裁卻吹響哨子，示意足球越過門線，于是蘭帕德進球得分。但是許多觀眾卻發現當時足球似乎并沒有完全進入球門線，因此引發爭議。足球到底是進了球門還是沒進？有時候憑借肉眼無法做出精確的判斷，導致雙方意見不一，此類事件被稱為足球場上的“門線懸案”。

“門線懸案”不但有礙比賽公平，還影響足球比賽的觀賞價值，更容易引發各種足球沖突。有些球迷往往因傾向于自己支持的球隊，對“門線懸案”做出有利于自己球隊的判斷，雙方互不相讓，引發互毆的球場騷亂。更嚴重的是，“門線懸案”還可能引發命案：在足球場上因“門線懸案”無法做出正確判斷的裁判，常常會收到一些極端球迷的死亡威脅。

英國是足球的發源地，所以英國憑借對足球運動強大的“責任感”研制出一種可解“門線懸案”的智能足球。這種智能足球看起來和普通足球沒有什么兩樣，但其內部配置和制作的材料帶有鮮明的高科技特征。

先看智能足球的內部。普通足球內部空空如也，智能足球內部加裝了一套微電腦系統。這種微電腦系統非常結實耐用，粘在足球內部，踢不碎摔不壞，最主要的功能是利用GPS系統對足球進行毫米級的精確定位。借助GPS定位功能，智能足球在球場上的空間位置可以得到非常準確的實時標記。當足球完全進入門線時，定位系統立即向裁判傳遞“射門成功”的信號，裁判依此結果可做出非常準確的判斷。

再看智能足球的制造材料。普通足球是用普通橡膠制成的，而智能足球是用一種特別的可以變色的高科技橡膠制成的，這種橡膠里添加了一種硅質材科，可以在電信號的刺激下變色。當足球在門線以外時，足球的顏色是綠色的，而當足球進入門線以后，足球內的微電腦會向足球的硅質材料發出“變色”的指令，讓足球由綠色變成紅色。這種智能變色功能，可以讓觀眾清楚地看到足球是進了球門，還是沒有進球門。如果足球在守門員的阻擋下，產生了似進非進的狀態，足球表面就變化成以門線為界的紅綠兩種顏色，裁判員只需要判斷紅色區域和綠色區域的大小，就可以判斷這次射門是進球有效還是無效。當然，心存疑問的球員和觀眾也可以憑足球表面變換出的兩種顏色當場驗證是不是進球有效。

智能變色足球讓進球變得不再模糊難斷，裁判結果將變得公平透明，因“門線懸案”造成的足球危機也就不復存在了。

科學探索

GPS是全球定位系統的簡稱，這套系統始于1958年美國的一個軍事項目，起初主要為陸海空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務。到1994年，GPS依靠24顆通訊衛星協同工作，將地球表面覆蓋到98%的面積，此時GPS的應用也由軍方拓展到了民用領域，開始為工程施工、車輛定位、防盜反劫、行駛路線監控等服務。目前，GPS的終端、傳輸網絡和監控平臺三個關鍵性技術要素已經變得相當成熟，有人戲稱利用GPS系統可以跟蹤一只蚊子的飛行軌跡，意思是指GPS可以讓地球上的每一個角落再無秘密可言。

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在警匪片中，常有警察與嫌犯飆車的鏡頭。為了避免與匪徒飆車帶來的間接傷害，如今已經有警察使用一種名為“追擊星”的子彈，只要向匪車射擊，子彈就會緊緊附著在匪車上，不論匪車逃到何方，“追擊星”內置的GPS定位系統都會向警察發回精確位置信息，讓匪車無處可逃。

石墨烯襪——給運動員的長跑神器

馬拉松比賽是最艱苦的體育比賽項目之一，需要跑完42.195公里的路程。

跑完全程的馬拉松運動員有共同的感受，即比賽時最讓人受不了的是腳的痛苦。一是腳熱燒心。當選手跑一段距離后，腳部就會發熱變得滾燙，腳下感覺不涼爽，人就會覺得心煩意亂，這就是腳熱燒心的感覺。二是腳癢難忍。即使是專業選手，跑完馬拉松全程也需要兩個多小時，在這兩個多小時的時間里，腳大量出汗，各種細菌高速滋生，細菌滋生產生的刺激物會讓運動員腳掌發癢。有些運動員不是因為體力不支而離場，而是因為腳癢難忍不得不中斷比賽。三是腳脹難耐。馬拉松比賽需要超強的體力，腳是遠離心臟的器官，在運動中會因為血液不流暢而變得腫脹，腳的腫脹除了會讓人感覺疼痛，還會讓運動員感覺疲勞失去耐力。

正是以上這些痛苦影響了馬拉松運動員成績的發揮。有沒有辦法可以減輕運動員在長跑過程中的痛苦，讓他們在長跑過程中感覺好受一些，從而大幅度提升比賽成績呢？辦法當然有。德國一家運動用品生產公司開發出了一種石墨烯襪，這種襪子可以從高科技層面，解除長跑運動員的痛苦。

石墨烯襪以石墨烯為主要材料制成。石墨烯是從石墨中剝離出的單層碳原子面材，是目前被稱為超級材料的高科技產品，它的硬度超過鉆石，同時又像橡膠一樣可伸縮，用這種材料制造襪子可謂是耐磨貼腳。石墨稀具有超強的導熱功能，雖然它是非金屬物質，但它的導熱性能卻是銅的數倍。穿著具有超強導熱性能的石墨烯襪，腳部產生的熱量會快速被導走散失掉，這樣就可以保證運動員在跑步時腳下總是保持涼爽，心情就愉悅多了。

石墨烯這種材料被擠壓后還會產生微電波，微電波恰好能殺死腳部細菌。因此，運動員在長跑過程中就可以借助石墨烯襪不斷“踩死”細菌，讓細菌不至于滋生泛濫，生成有害物質造成腳癢難受了。

石墨烯襪能隨運動員腳步肌肉的運動而進行同向的張縮效果。當運動員腳部肌肉松弛時它就舒展，肌肉緊張時它就收緊，這種貼身的功能，可以幫助運動員加強腳部血管壓力，像不斷地按摩一樣，近乎完美地促進腳部血液循環，讓運動員不再感覺到腳部因血液流通不暢而帶來的腫脹感，可長久地保持腳下生風的耐力。

運動場上，不僅是體力的比拼，還有高科技的競爭，穿上一雙石墨烯襪，相當于擁有了一件長跑神器，脫穎而出就有了更多的勝算。

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2010年諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆，以表彰他在石墨烯材料方面的卓越研究。很可惜，這個獎項與一位中國博士生擦肩而過。安德烈·海姆曾經說：他的實驗室來了一位中國博士生，安德烈·海姆讓這位中國博士生把石墨制成薄膜。三周后中國博士生用石墨制成了10微米厚，大概1 000層左右的石墨薄膜。安德烈·海姆問能否再制得薄一點兒。這位中國博士生說：如果你有本領，你來試試。面對這位中國學生的叫板，安德烈·海姆決定自己來制造更薄的石墨片——他用透明膠帶，先粘一小塊石墨、折疊，然后再撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。屢次重復這一過程，即可將石墨減薄，最終得到了單層的石墨片，即石墨烯。假如那位中國博士生按照安德烈·海姆的要求繼續研究如何制取更薄的石墨片，那么諾貝爾獎他也會有份。能成為杰出科學家的機會很多，可是因為“執著力”的不同，并非所有人都能把握這樣的機會。

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石墨烯只有一個原子那么薄，它會成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超微計算機。超微計算機通常只有塵埃那么大，可以隨風飄浮，所以由這些超微計算機組成的“塵埃”通常被稱為“智能塵埃”。戰場上的“智能塵埃”可以監控敵人的一舉一動，工廠里的“智能塵埃”可以監控機器的運轉狀況，身體里的“智能塵埃”可以監控人的健康狀況。石墨烯帶來的超微計算機成果，將會讓人們的生活達到離奇的智能水平。

低風阻設計——讓自行車手猶如在真空里飛

自行車比賽越來越成為運動場上一項奪人眼球的比賽項目。運動員能以每小時140公里的速度騎自行車。140公里的時速！比汽車還快。能有這么快嗎？依我們平時騎自行車的感覺，無論如何也騎不出這飛一樣的速度呀。運動員之所以能把自行車騎出汽車的速度，那是因為現代科技為自行車比賽提供了最有效的低風阻設計方案。

騎自行車最大的阻力來源于哪里？不是自行車的重量，也不是你自身的重量，而是空氣的阻力。經過測算，當自行車速度達到每小時30公里的時候，我們騎自行車所付出的力量將有百分之九十是用來克服空氣阻力的。按照風阻力與騎車速度的平方成正比的公式計算，當自行車比賽選手以每小時140公里的速度飛馳的時候，他所付出的騎行力量將接近百分之百地要用來克服空氣阻力了。因此，要想提升自行車選手的騎行速度，最重要的科技手段就是找到克服空氣阻力的方法。

你也許會發現，運動場上的自行車的模樣總是有些怪異。無論是手把、車輪、車架都與普通的自行車模樣大有不同。比賽自行車的模樣看起來不怎么美觀，卻是根據風洞實驗所得數據而設計成的最佳減小空氣阻力的樣式。風洞以往用于航空航天器材的開發和研究，正是基于風洞的實驗數據，飛機才飛上了藍天，飛船才能安然回歸地面。如今，科學家又將比賽自行車放進風洞里進行飛行實驗，努力尋找降低自行車空氣阻力的方法。比如一款比賽自行車放進風洞進行實驗后，馬上暴露出車身上的一顆螺絲產生的空氣阻力較大，通過改進這顆螺絲的樣式和安裝方向，運動員再騎行時可以將空氣阻力立即減少百分之五。經過風洞實驗設計出的模樣有些怪異的比賽自行車，可以讓運動員因一顆螺絲的改裝定輸贏。

降低空氣阻力的第二個辦法是利用新材料，為運動員設計低風阻運動裝。空氣之所以會對運動物體產生阻力，是因為空氣分子對運動物體產生了迎面撞擊的力量。如果運動物體表面粗糙并且有皺折，那么它就無法躲避不計其數的空氣分子的撞擊，從而產生巨大的前進阻力。如果有一種材料的表面極其光滑，并且用這種材料做成的衣服無皺折，那么空氣分子在它表面就根本“站不住腳”，雖迎面而來卻無法撞擊，而是被快速分流，從而不會再產生撞擊力，這樣空氣的阻力就可以大大減少了。遵循這樣的原理，科學家找到了碳納米纖維材料，做成表面極其光滑的布料，再用超聲波焊接技術把這種面料“縫制”成衣服，就做成了一件表面光滑無縫無皺折的外套，這種外套所承受的空氣阻力比人體汗毛承受的阻力還要小許多，運動員穿著這樣的衣服參加自行車比賽就可大幅度地減小空氣阻力，其感覺就如在真空里飛行一樣。

科學探索

風洞是能人工產生和控制氣流，以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動，并可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現象的一種管道狀實驗設備，它是進行空氣動力實驗最常用、最有效的工具。世界上第一個風洞是英國人韋納姆于1871年建成，并用之測量物體與空氣相對運動時受到的阻力。它其實是一個兩端開口的木箱。美國萊特兄弟于1901年建造了一個風速12米/秒的風洞，依此實驗發明了世界上第一架飛機。如今，風洞實驗是飛行器研制工作中的一個不可缺少的組成部分。它不僅在航空和航天工程的研究和發展中起著重要作用，而且隨著工業空氣動力學的發展，在交通運輸、房屋建筑、風能利用等領域更是不可或缺。

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現在，人們利用超聲波來為飛機、輪船導航，尋找地下的寶藏。超聲波就像一位無聲的功臣，廣泛地應用于工業、農業、醫療和軍事等領域。可做“天衣無縫”衣服的超聲波焊接機就是利用了超聲波的高頻振動發熱特征制成的。endprint