体育场上的高科技神器

孙世杰

智能足球——给裁判一双慧眼

喜欢足球的人，大都知道让人纠结的“门线悬案”。

2011年4月英超联赛，切尔西队迎战热刺队。球员兰帕德一脚劲射，足球直奔球门，对方门将戈麦斯侧身把球“捞住”。这时，边裁却吹响哨子，示意足球越过门线，于是兰帕德进球得分。但是许多观众却发现当时足球似乎并没有完全进入球门线，因此引发争议。足球到底是进了球门还是没进？有时候凭借肉眼无法做出精确的判断，导致双方意见不一，此类事件被称为足球场上的“门线悬案”。

“门线悬案”不但有碍比赛公平，还影响足球比赛的观赏价值，更容易引发各种足球冲突。有些球迷往往因倾向于自己支持的球队，对“门线悬案”做出有利于自己球队的判断，双方互不相让，引发互殴的球场骚乱。更严重的是，“门线悬案”还可能引发命案：在足球场上因“门线悬案”无法做出正确判断的裁判，常常会收到一些极端球迷的死亡威胁。

英国是足球的发源地，所以英国凭借对足球运动强大的“责任感”研制出一种可解“门线悬案”的智能足球。这种智能足球看起来和普通足球没有什么两样，但其内部配置和制作的材料带有鲜明的高科技特征。

先看智能足球的内部。普通足球内部空空如也，智能足球内部加装了一套微电脑系统。这种微电脑系统非常结实耐用，粘在足球内部，踢不碎摔不坏，最主要的功能是利用GPS系统对足球进行毫米级的精确定位。借助GPS定位功能，智能足球在球场上的空间位置可以得到非常准确的实时标记。当足球完全进入门线时，定位系统立即向裁判传递“射门成功”的信号，裁判依此结果可做出非常准确的判断。

再看智能足球的制造材料。普通足球是用普通橡胶制成的，而智能足球是用一种特别的可以变色的高科技橡胶制成的，这种橡胶里添加了一种硅质材科，可以在电信号的刺激下变色。当足球在门线以外时，足球的颜色是绿色的，而当足球进入门线以后，足球内的微电脑会向足球的硅质材料发出“变色”的指令，让足球由绿色变成红色。这种智能变色功能，可以让观众清楚地看到足球是进了球门，还是没有进球门。如果足球在守门员的阻挡下，产生了似进非进的状态，足球表面就变化成以门线为界的红绿两种颜色，裁判员只需要判断红色区域和绿色区域的大小，就可以判断这次射门是进球有效还是无效。当然，心存疑问的球员和观众也可以凭足球表面变换出的两种颜色当场验证是不是进球有效。

智能变色足球让进球变得不再模糊难断，裁判结果将变得公平透明，因“门线悬案”造成的足球危机也就不复存在了。

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GPS是全球定位系统的简称，这套系统始于1958年美国的一个军事项目，起初主要为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务。到1994年，GPS依靠24颗通讯卫星协同工作，将地球表面覆盖到98%的面积，此时GPS的应用也由军方拓展到了民用领域，开始为工程施工、车辆定位、防盗反劫、行驶路线监控等服务。目前，GPS的终端、传输网络和监控平台三个关键性技术要素已经变得相当成熟，有人戏称利用GPS系统可以跟踪一只蚊子的飞行轨迹，意思是指GPS可以让地球上的每一个角落再无秘密可言。

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在警匪片中，常有警察与嫌犯飙车的镜头。为了避免与匪徒飙车带来的间接伤害，如今已经有警察使用一种名为“追击星”的子弹，只要向匪车射击，子弹就会紧紧附着在匪车上，不论匪车逃到何方，“追击星”内置的GPS定位系统都会向警察发回精确位置信息，让匪车无处可逃。

石墨烯袜——给运动员的长跑神器

马拉松比赛是最艰苦的体育比赛项目之一，需要跑完42.195公里的路程。

跑完全程的马拉松运动员有共同的感受，即比赛时最让人受不了的是脚的痛苦。一是脚热烧心。当选手跑一段距离后，脚部就会发热变得滚烫，脚下感觉不凉爽，人就会觉得心烦意乱，这就是脚热烧心的感觉。二是脚痒难忍。即使是专业选手，跑完马拉松全程也需要两个多小时，在这两个多小时的时间里，脚大量出汗，各种细菌高速滋生，细菌滋生产生的刺激物会让运动员脚掌发痒。有些运动员不是因为体力不支而离场，而是因为脚痒难忍不得不中断比赛。三是脚胀难耐。马拉松比赛需要超强的体力，脚是远离心脏的器官，在运动中会因为血液不流畅而变得肿胀，脚的肿胀除了会让人感觉疼痛，还会让运动员感觉疲劳失去耐力。

正是以上这些痛苦影响了马拉松运动员成绩的发挥。有没有办法可以减轻运动员在长跑过程中的痛苦，让他们在长跑过程中感觉好受一些，从而大幅度提升比赛成绩呢？办法当然有。德国一家运动用品生产公司开发出了一种石墨烯袜，这种袜子可以从高科技层面，解除长跑运动员的痛苦。

石墨烯袜以石墨烯为主要材料制成。石墨烯是从石墨中剥离出的单层碳原子面材，是目前被称为超级材料的高科技产品，它的硬度超过钻石，同时又像橡胶一样可伸缩，用这种材料制造袜子可谓是耐磨贴脚。石墨稀具有超强的导热功能，虽然它是非金属物质，但它的导热性能却是铜的数倍。穿着具有超强导热性能的石墨烯袜，脚部产生的热量会快速被导走散失掉，这样就可以保证运动员在跑步时脚下总是保持凉爽，心情就愉悦多了。

石墨烯这种材料被挤压后还会产生微电波，微电波恰好能杀死脚部细菌。因此，运动员在长跑过程中就可以借助石墨烯袜不断“踩死”细菌，让细菌不至于滋生泛滥，生成有害物质造成脚痒难受了。

石墨烯袜能随运动员脚步肌肉的运动而进行同向的张缩效果。当运动员脚部肌肉松弛时它就舒展，肌肉紧张时它就收紧，这种贴身的功能，可以帮助运动员加强脚部血管压力，像不断地按摩一样，近乎完美地促进脚部血液循环，让运动员不再感觉到脚部因血液流通不畅而带来的肿胀感，可长久地保持脚下生风的耐力。

运动场上，不仅是体力的比拼，还有高科技的竞争，穿上一双石墨烯袜，相当于拥有了一件长跑神器，脱颖而出就有了更多的胜算。

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2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆，以表彰他在石墨烯材料方面的卓越研究。很可惜，这个奖项与一位中国博士生擦肩而过。安德烈·海姆曾经说：他的实验室来了一位中国博士生，安德烈·海姆让这位中国博士生把石墨制成薄膜。三周后中国博士生用石墨制成了10微米厚，大概1 000层左右的石墨薄膜。安德烈·海姆问能否再制得薄一点儿。这位中国博士生说：如果你有本领，你来试试。面对这位中国学生的叫板，安德烈·海姆决定自己来制造更薄的石墨片——他用透明胶带，先粘一小块石墨、折叠，然后再撕开胶带，薄片也随之一分为二。屡次重复这一过程，即可将石墨减薄，最终得到了单层的石墨片，即石墨烯。假如那位中国博士生按照安德烈·海姆的要求继续研究如何制取更薄的石墨片，那么诺贝尔奖他也会有份。能成为杰出科学家的机会很多，可是因为“执着力”的不同，并非所有人都能把握这样的机会。

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石墨烯只有一个原子那么薄，它会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超微计算机。超微计算机通常只有尘埃那么大，可以随风飘浮，所以由这些超微计算机组成的“尘埃”通常被称为“智能尘埃”。战场上的“智能尘埃”可以监控敌人的一举一动，工厂里的“智能尘埃”可以监控机器的运转状况，身体里的“智能尘埃”可以监控人的健康状况。石墨烯带来的超微计算机成果，将会让人们的生活达到离奇的智能水平。

低风阻设计——让自行车手犹如在真空里飞

自行车比赛越来越成为运动场上一项夺人眼球的比赛项目。运动员能以每小时140公里的速度骑自行车。140公里的时速！比汽车还快。能有这么快吗？依我们平时骑自行车的感觉，无论如何也骑不出这飞一样的速度呀。运动员之所以能把自行车骑出汽车的速度，那是因为现代科技为自行车比赛提供了最有效的低风阻设计方案。

骑自行车最大的阻力来源于哪里？不是自行车的重量，也不是你自身的重量，而是空气的阻力。经过测算，当自行车速度达到每小时30公里的时候，我们骑自行车所付出的力量将有百分之九十是用来克服空气阻力的。按照风阻力与骑车速度的平方成正比的公式计算，当自行车比赛选手以每小时140公里的速度飞驰的时候，他所付出的骑行力量将接近百分之百地要用来克服空气阻力了。因此，要想提升自行车选手的骑行速度，最重要的科技手段就是找到克服空气阻力的方法。

你也许会发现，运动场上的自行车的模样总是有些怪异。无论是手把、车轮、车架都与普通的自行车模样大有不同。比赛自行车的模样看起来不怎么美观，却是根据风洞实验所得数据而设计成的最佳减小空气阻力的样式。风洞以往用于航空航天器材的开发和研究，正是基于风洞的实验数据，飞机才飞上了蓝天，飞船才能安然回归地面。如今，科学家又将比赛自行车放进风洞里进行飞行实验，努力寻找降低自行车空气阻力的方法。比如一款比赛自行车放进风洞进行实验后，马上暴露出车身上的一颗螺丝产生的空气阻力较大，通过改进这颗螺丝的样式和安装方向，运动员再骑行时可以将空气阻力立即减少百分之五。经过风洞实验设计出的模样有些怪异的比赛自行车，可以让运动员因一颗螺丝的改装定输赢。

降低空气阻力的第二个办法是利用新材料，为运动员设计低风阻运动装。空气之所以会对运动物体产生阻力，是因为空气分子对运动物体产生了迎面撞击的力量。如果运动物体表面粗糙并且有皱折，那么它就无法躲避不计其数的空气分子的撞击，从而产生巨大的前进阻力。如果有一种材料的表面极其光滑，并且用这种材料做成的衣服无皱折，那么空气分子在它表面就根本“站不住脚”，虽迎面而来却无法撞击，而是被快速分流，从而不会再产生撞击力，这样空气的阻力就可以大大减少了。遵循这样的原理，科学家找到了碳纳米纤维材料，做成表面极其光滑的布料，再用超声波焊接技术把这种面料“缝制”成衣服，就做成了一件表面光滑无缝无皱折的外套，这种外套所承受的空气阻力比人体汗毛承受的阻力还要小许多，运动员穿着这样的衣服参加自行车比赛就可大幅度地减小空气阻力，其感觉就如在真空里飞行一样。

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风洞是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。世界上第一个风洞是英国人韦纳姆于1871年建成，并用之测量物体与空气相对运动时受到的阻力。它其实是一个两端开口的木箱。美国莱特兄弟于1901年建造了一个风速12米/秒的风洞，依此实验发明了世界上第一架飞机。如今，风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，而且随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域更是不可或缺。

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现在，人们利用超声波来为飞机、轮船导航，寻找地下的宝藏。超声波就像一位无声的功臣，广泛地应用于工业、农业、医疗和军事等领域。可做“天衣无缝”衣服的超声波焊接机就是利用了超声波的高频振动发热特征制成的。endprint