Топ-5 технологічних інновацій за останні роки у скелетоні та бобслеї: від 3D-друку до ШІ-алгоритмів

Користувач Tribuna.com Віктор Воробйов підготував монументальне дослідження в рамках другого раунду конкурсу «Найкращий блогер України».

Робота настільки детальна та якісна, що нею захоплюється голова Федерації бобслею та скелетону України Михайло Гераскевич. Ви також можете підтримати автора плюсами та коментарями.

***

XXI століття перетворило бобслей і скелетон із суто випробування сміливців на високоточні та технологічні види спорту. Кожна частка секунди на треку тепер відображає не лише людську майстерність, а й непомітну роботу інженерів, конструкторів і аналітиків, які стоять за спинами спортсменів. Від стартового поштовху до самого фінішу технології вимірюють, оптимізують і вдосконалюють кожен рух. У своєму рейтингу я виділяю п’ять найвпливовіших інновацій, що докорінно змінили улюблені українським вболівальникам види спорту за останні роки.

5. Аеродинаміка комбінезонів з низьким опором: коли кожний міліметр тканини може коштувати олімпійської медалі

Комбінезони у бобслеї та скелетоні – це саме той випадок, коли найменші зміни у екіпіруванні чи матеріалі можуть принести відчутну перевагу. Костюми для спортсменів створюють максимально гладкими, щільно облягаючими й точно підігнаними до тіла спортсмена, аби потік повітря ковзав уздовж тіла, а не створював опір чи турбулентність.

У сьогоденні команди використовують 3D-сканування спортсменів, моделювання потоків повітря навколо силуету атлета, змінюють розташування швів, експериментують з текстурами тканини й випробовують прототипи в аеродинамічних трубах. Метою підбору костюмів є ідеальна взаємодія з тілом спортсмена під час спуску. Точні розрахунки можна порівняти з ретельним проектуванням автомобілів Формули-1 для вдосконалення їхньої аеродинамічної поведінки.

У скелетоні кожен міліметр має значення: зайвий клаптик тканини або шов, що порушує потік повітря, можуть коштувати сотих часток секунди. Успіх британської команди на Олімпійських Іграх 2018 року частково пояснювали саме аеродинамічними костюмами, розробленими інженерами Team GB. Вони змінили крої швів і структуру матеріалу, додавши хвилясті ділянки, щоб впливати на поведінку прикордонного шару повітря для покращення його прилягання до поверхні тіла та зменшити зони відриву потоку, не порушуючи правил, що забороняють зовнішні аеродинамічні елементи.

Точність посадки також досягла нового рівня. Такі виробники, як Qwixskinz, створюють «Elite Skeleton» костюми на основі 3D-сканування атлета і віртуального моделювання крою, щоб готовий виріб мінімізував провисання, не тягнувся у небажаних напрямках і щільно прилягав під час змагань. Це дозволяє виявити й усунути проблеми зі складками чи деформаціями ще до виготовлення костюма, що значно зменшує ризик небажаного коливанню тканини під час спуску. Уперше Qwixskinz зарекомендував себе на Олімпіаді-2010, коли в їх костюмі канадець Джон Монтгомері здобув золоту медаль. Тепер таке екіпірування використовує й збірна США. У співпраці з компаніями Under Armour та Qwixskinz вони створили спеціальні аеродинамічні костюми до Зимових Ігор 2026 року з акцентом на зручності під час старту.

Також американська збірна отримує від компанії ORORO обігрівальні рукавиці, шкарпетки та інші аксесуари з вбудованими вуглецевими нагрівальними елементами. Хоча це не впливає безпосередньо на аеродинаміку, підтримання температури тіла допомагає спортсменам уникати скутості м’язів і втрати реакції на морозі, що дуже критично важливо під час старту. Ще одна інновація з безпеки – комір Kapsul, який забезпечує динамічну стабілізацію шиї, зменшуючи ризик травм при різких перевантаженнях. Комір створено зі спеціальної піни, що підтримує шийні хребці, не обмежуючи рухів. Збірна США також отримує від них продукцію.

З кожним роком модернізуються матеріали. Усі частіше використовуються гладкі, непроникні для повітря тканини з мінімальним опором, а для створення комбінезонів використовують теплове зварювання швів або безшовні з’єднання, що зменшують опір і запобігають утворенню мікротурбулентності. Завдяки випробуванням у аеродинамічних тунелях або комп’ютерному моделюванню можна створюючи цифрову модель спортсмена у повному екіпіруванні.

Після випробування аналізують розподіл повітряного тиску навколо критичних зон: плечей, колін, шолома. Такий підхід дозволяє поетапно вдосконалювати костюм, змінюючи не тільки тип тканини та швів, але і навіть колір. Блиск та ступінь нагріву поверхні також впливають на поведінку повітряного шару. Такі симуляції дають змогу шукати межі аеродинамічних можливостей, не порушуючи регламенту, що забороняє додаткові «плавники» та жорсткі накладки.

Сьогодні аеродинамічна оптимізація костюмів – це не розкіш, а стандарт підготовки елітних спортсменів. Навіть найменші федерації з обмеженим фінансовим ресурсом турбуються про власне забезпечення сучасними комбінезонами або ж інвестують у власні розробки, розуміючи, що іноді високий результат може забезпечити не лише потужний старт, а й екіпірування.

4. «Коучі з даних»: штучний інтелект як заміна тренерів

Системи оптимізації, або так звані «Data Coaches», докорінно змінюють бобслей і скелетон, перетворюючи досвід катання на треку на вимірювані показники продуктивності. Їхня особливість полягає у здатності збирати, аналізувати, моделювати та порівнювати величезні обсяги інформації про швидкість, прискорення, кути нахилу, пілотування, траєкторію руху, погодні умови, а потім визначати, що найкраще працює для кожного спортсмена на кожній трасі, а не покладатися лише на традиції чи загальні рекомендації.

Показовим прикладом є співпраця збірної Німеччини з BMW, у межах якої створено систему BMW Data Coach. Починаючи з 2016 року команди інтегрують у сани сенсори, що фіксують динамічні параметри під час кожного заїзду. Спеціальне програмне забезпечення, розроблене колишнім чемпіоном світу серед юніорів, а нині фахівцем із аналізу даних Юліаном фон Шляйніцом, дозволяє реконструювати й порівнювати спуски, виявляючи неефективні рухи під час пілотування, недосконалі налаштування чи траєкторії, які призводять до втрати швидкості.

У сезоні 2023/24 система активно застосовується для оптимізації траєкторії руху та матеріалів саме під складні траси, такі як Альтенберг. На основі зібраних даних проводяться симуляції, що дозволяють передбачити, які зміни в конструкції чи техніці дадуть найкращий ефект ще до того, як буде виготовлено дорогі прототипи або розпочато ризиковані експерименти на льоду.

Система допомагає не лише з вибором матеріалів чи лінії руху, але й з тонким налаштуванням таких елементів, як шиповки, жорсткість взуття чи ергономіка пози спортсмена. Оскільки кожна траса має унікальні характеристики – від температури льоду до радіусів віражів – Data Coach дозволяє формувати індивідуальні профілі траси, що зберігають оптимальні налаштування під різні умови. Програмне забезпечення використовує накопичені дані, щоб передбачити найкращі параметри для певного дня й погодних умов, що скорочує час підготовки й мінімізує помилки.

У скелетоні подібну роль починають відігравати системи машинного навчання та аналізу траєкторій. У дослідженні китайських інженерів «Оцінка продуктивності ковзання за допомогою аналізу траєкторії на основі машинного навчання для скелетону» використовуються тренувальні відео, щоб аналізувати траєкторії спортсменів на віражах, кількісно оцінювати їхню ефективність і порівнювати різні лінії руху візуально. Замість суб’єктивних коментарів тренерів, спортсмени отримують чіткі числові показники й графічні моделі, що робить процес корекції техніки точнішим.

Особлива цінність таких систем у тому, що вони створюють замкнене коло оптимізації: дані з реальних спусків використовуються для побудови моделей і прогнозів, отримані висновки лягають в основу змін у техніці, налаштуваннях чи спорядженні. На завершенні нові спуски перевіряють ефективність цих змін. З часом національні збірні, як-от німецька, накопичують гігантські масиви даних, що дозволяє системі Data Coach прогнозувати результативність модифікацій ще до того, як вони реалізовані на льоду.

Як наслідок, оптимізація на основі даних стала обов’язковим елементом підготовки провідних збірних. Команди, що застосовують Data Coach, роблять менше помилок, швидше адаптуються до змін треку, а їхні дрібні переваги у траєкторії, техніці чи спорядженні сумарно перетворюються на вирішальні десяті секунди, які визначають подіум.

3. Дослідження водної плівки та дистанційне тестування льоду через тренувальні симулятори

Розуміння взаємодії сталевого полоза з льодом – одна з ключових інженерних задач у бобслеї та скелетоні. Навіть незначні зміни у формі полоза, шліфуванні поверхні, тиску контакту чи температурі льоду впливають на тертя. Це, своєю чергою, визначає швидкість. Здавалося б, мікроскопічні відмінності у коефіцієнті тертя за всю довжину спуску (1–1,5 км) можуть обернутися перемогою або втратою десятих часток секунди. Протягом останнього десятиліття інженери перейшли від емпіричних спроб і помилок до фізично обґрунтованих моделей та високошвидкісних експериментів, які дозволяють передбачати, симулювати й оптимізувати поведінку саней у реальних умовах змагань.

Контакт сталі та льоду – це складна система, у якій взаємодіють кілька механізмів:

• абразивна взаємодія: полоз трохи «вгризається» в лід, створюючи мікроущільнення;
• плавлення: тиск і зсув створюють тонку водну плівку, що знижує тертя;
• гідродинамічні ефекти: на великих швидкостях формується тонкий шар рідини, який змінює силу опору;
• геометрія та тиск: форма полоза, його кривина та розподіл навантаження впливають на локальний тиск і, відповідно, на домінантний механізм тертя.

Оскільки ці чинники взаємопов’язані й залежать від швидкості та температури, тертя має нелінійний характер і потребує складних розрахункових моделей. Одним із найпоширеніших підходів є FAST (Friction Algorithm using Skate Thermohydrodynamics) – алгоритм, розроблений спершу для моделювання ковзанів, а згодом адаптований для бобслею та скелетону. Цей алгоритм вирішує пов’язану теплову та гідродинамічну моделі: як тертя нагріває лід, утворюючи тонку плівку води, і як ця плівка впливає на силу опору ковзання.

Дослідники зрозуміли, що модель можна адаптувати для полозів саней, які мають схожі фізичні умови – високий тиск контакту, великі швидкості й тонкий шар талої води. Розширення FAST дозволяє моделювати, як уздовж контакту змінюються тепловиділення, товщина плівки талої води та тиск, а також передбачати, де саме полоз переходить від сухого ковзання до змащеного водою. Модель, застосована, наприклад, у роботі про трибологію Бірте Гжемби, допомагає командам віртуально тестувати форми й матеріали полозів, ще до виготовлення дорогих прототипів.

Команда дослідників у складі фон Шляйніца, Верле, Ґрафа та Шредера розробили модель тертя для симуляторів бобслею. Вони поєднали експериментальні дані про тертя з методами кінетичного моделювання, створивши закон тертя, який можна використовувати у тренувальних симуляторах для пілотів. Такі симулятори дозволяють відпрацьовувати кермування санями, тестувати траєкторії та аналізувати стиль їзди ще до виходу на лід.

Є тестування безпосередньо і на трасах. Сучасні сани обладнують датчиками тиску, GPS та IMU, що дозволяє вимірювати фактичний опір ковзання на трасі. Такі дані допомагають створювати емпіричні моделі тертя для різних типів полозів і порівнювати ефективність пілотів незалежно від погодних умов. Під час кожного спуску щосекунди збираються сотні параметрів. Дані обробляються регресійними моделями або алгоритмами спеціальних програмних забезпечень, які шукають закономірності між температурою льоду, лінією руху та втратами швидкості через тертя. Потім інженери будують емпіричні моделі тертя, що відповідають реальним умовам гонок.

Німецька Федерація бобслею та скелетону разом зі швейцарською проводили польові випробування, вимірюючи поздовжнє та поперечне тертя у реальних змаганнях, адже лабораторні умови не здатні точно відтворити природну текстуру льоду і моделі потребують постійного калібрування для кожної траси. Результати показали, що топові пілоти досягають подібних швидкостей, використовуючи різні стилі керування. Це відкриття змінило підхід до аналізу техніки та тренерських порад. Польові вимірювання підтверджують точність теоретичних моделей і дають можливість об’єктивно оцінювати налаштування спорядження чи дії спортсмена.

Вищевказані моделі допомагають визначити, як навіть мікроскопічна зміна фізичної величини чи полірування полоз впливають на тиск і тертя, тож інженери можуть тестувати нові профілі віртуально перед реальними випробуваннями. Знання про взаємозв’язок між швидкістю, температурою та водною плівкою допомагають технічним командам підбирати оптимальні методи охолодження або підігріву.

2. Система безмаркерного захоплення руху: цифрова революція, яку приховували британці

Технологія безмаркерного захоплення руху – це один із найяскравіших прикладів програмного новаторства, яке має безпосереднє практичне значення для скелетону і бобслею. Замість прикріплення до тіла світловідбивних маркерів і проведення занять у лабораторії, команди тепер можуть отримувати дані про довжину кроку, час контакту, швидкість центру мас і кінематику всього тіла із синхронізованого відео за допомогою комп’ютерного зору та машинного навчання. Це особливо важливо, адже стартовий розгін – є вирішальним для підсумкового результату.

Сучасні комплекси поєднують кілька високошвидкісних камер, синхронізацію кадрів і нейромережеві алгоритми, які відстежують положення анатомічних орієнтирів (щиколотки, коліна, стегна, плеча тощо) у часі. З отриманих даних можна обчислити: довжину та частоту кроків, час контакту із льодом, швидкість центру мас спортсмена та саней, асиметрію рухів і координацію та таймінг завантаження у сани. Оскільки система використовує звичайне відео, її можна встановити прямо на тренувальній доріжці без складної підготовки й застосовувати у звичних умовах, а не лише в лабораторії.

Такі дослідження дуже важливі для тренувань бобслеїстів та скелетоністів, адже:

• спортсмени працюють у своєму звичному екіпіруванні, а отже, система фіксує реальну техніку без спотворень;
• швидкий збір даних: менше часу на підготовку, а отже більше спроб для аналізу, що ідеально для щоденного моніторингу;
• замість суб’єктивної оцінки тренер отримує конкретні параметри, формуючи таким чином замкнене коло: вимірювання – корекція – повторний тест.

Першопрохідцями такої технології були дослідники з CAMERA, дослідницького центру руху Університету Бата у Великій Британії. Вони розробили неінвазивну безмаркерну систему, що використовує комп'ютерний зір та методи машинного навчання для вимірювання швидкості та оцінки поз шляхом ідентифікації орієнтирів тіла зі звичайних даних зображень. У співпраці зі збірною Британії спортсмени пройшли тестування на літній естакаді університету у 2020 році.

Дослідники використали систему з дев'яти камер, розташованих вздовж обох боків естакади для безмаркерної системи та порівняли вимірювання з результатами, отриманими за допомогою звичайної системи з 15 камер на основі маркерів. Вони протестували систему на 12 спортсменах під час 33 спроб старту та виявили дуже хорошу узгодженість даних з обох систем (виміряні швидкості саней та спортсменів знаходилися в межах 0,015 та 0,029 м/с відповідно), що підтверджує використання безмаркерного методу як неінвазивної та точної альтернативи традиційній системі на основі маркерів.

Усі дані цього проєкту, що стосуються результатів спортсменів, були заборонені на прохання британської Федерації. Вона просила обмежити доступ до цих даних, оскільки їх оприлюднення до Зимової Олімпіади 2022 року могло дати командам-суперникам можливість проаналізувати біомеханічну техніку британських спортсменів і, таким чином, дозволити їм отримати несправедливу перевагу. На цей момент дані дослідження були опубліковані у декількох рецензованих наукових журналах, таких як PLOS One, а деякі результати з графіками, таблицями та порівняннями є у загальному доступі.

Розроблена система дозволяла спостерігати значну асиметрію між провідною й опорною ногами, яка «краде» 0.02–0.04 с на старті. Незалежно від того, якою ногою спортсмен відштовхувався, час контакту із землею не змінювався. Це означає, що опорна нога недостатньо ефективно створює силу, і тренерам слід звернути на це увагу. Також було порівняно швидкості центру мас при використанні різного взуття та шипів, щоб знайти найефективнішу конфігурацію та визначення часу втому спортсмена під час пілотування, що скоригувати навантаження для відпочинку.

Доктор Лорі Нідхем, постдокторантка в CAMERA, сказала: «Наша новітня система комп’ютерного зору дозволяє нам вийти за межі лабораторії та перенести біомеханіку на реальні умови. Неінвазивний характер цього підходу не лише означає, що ми можемо фіксувати інформацію про поштовх, не втручаючись у тренування спортсмена, але й робити це таким чином, щоб це відповідало сучасній потребі соціального дистанціювання».

Згодом команда CAMERA удосконалила систему, зробивши її повністю автоматизованою для польового застосування. Британська збірна зі скелетону використовує її на своїй тренувальній базі, щоб відстежувати асиметрію стартових кроків, планувати вправи та вдосконалювати завантаження у скелетони. Єдиними ускладненнями такої системи є правильне розташування камер, оскільки сани можуть затуляти частини тіла, та потреба у камерах з частотою від 200 к/с для точного визначення часу контакту. Також очікується вдосконалення технологій для тестування бобслей-четвірок, де складніша кінематика.

1. AM-технології: Чи можна надрукувати бобслейні сани на 3D-принтері?

Різниця між місцями у бобслеї та скелетоні часто зводиться до кількох сотих секунди, що робить початкову фазу старту абсолютно критичною. У цей вирішальний момент спортсменам потрібне максимальне зчеплення з льодом, щоб якомога швидше штовхнути сани вперед. Саме тут вступає в гру одна з найцікавіших нещодавніх технологічних інновацій – шиповані пластини, виготовлені на замовлення за допомогою 3D-друку.

Шиповані пластини – це металеві пластини, закріплені на підошвах взуття для бобслею та скелетону (шиповок), які утримують шипи, що використовуються для зчеплення з льодом. Їхня геометрія (розташування та кут шипів), розподіл маси, жорсткість та спосіб з'єднання із взуттям та щиколоткою спортсмена, впливають на те, наскільки ефективно спортсмен перетворює силу спринту на імпульс швидкості. У бобслеї та скелетоні швидкість стартового розгону є ключовою, яка забезпечує ледь не половину загального результату. Корпорація BMW Group, виступаючи технологічним партнером Німецької федерації бобслею та скелетону, розв’язала цю проблему, перенісши свій досвід у AM з автомобілебудування.

АМ – Additive Manufacturing (адитивне виробництво), тобто 3D-друк. Однак в статті часто буде зустрічатись така абревіатура, оскільки 3D-друк це одна із форм AM-технологій, яка асоціюється з виготовленням об’єктів із пластичного матеріалу. У нашому випадку 3D-друк вже виконується металевим порошком (наприклад, за допомогою технології лазерного плавлення порошку – PBF-LB), щоб виготовити міцну металеву деталь.

На відміну від застарілих стандартних черевиків із незмінними цвяхами, BMW розробила систему зі змінними шипованими пластинами. Це дозволяє атлетам не лише обирати зручніше взуття, але й точно налаштовувати жорсткість пластини, її геометрію та розміщення шипів. Процес починається з 3D-сканування взуття спортсмена, після чого спеціальне програмне забезпечення розробляє унікальну пластину. Використовуючи лазерне зварювання металевого порошку, 3D-принтер створює ідеальну металеву деталь, яка максимально підвищує зчеплення відповідно до індивідуального стилю бігу спортсмена. Це забезпечує значну економію часу та високу гнучкість для швидкого тестування різних варіантів.

З цих причин AM переходить від «готових» комплектів до спеціалізованих деталей для спортсменів, які можна налаштувати для різних умов льоду, температури та траси. Тож оптимізація шипованих пластин – це прямий спосіб покращити старт без зміни тренувального навантаження чи техніки.

«Ми випробували шиповані пластини на Кубку світу та отримали багато позитивних відгуків від спортсменів», – сказав головний тренер з бобслею Рене Шпіс. «Втім, все ще потрібно внести деякі корективи. Ми очікуємо, що матимемо ідеальне взуття для змагань не пізніше Зимових Олімпійських Ігор 2026 року».

Однак, сучасне виробництво не обмежується лише пластинами для шиповок. Американська компанія CRP USA, що спеціалізується на 3D-друку, співпрацює зі збірною США для розробки нового та оптимізованого дизайну бобслею для Зимових Олімпійських Ігор 2026 року. Американці на санях з надрукованими на 3D-принтері запчастинами дебютували на Кубку Північної Америки у листопаді 2023 року. Відтоді компанія постачає такі компоненти, як ручки для штовхання бобслею, поручні та сидіння, виготовлені з високопродуктивних композитів сімейства Windform.

Керівник відділу технологій збірної США Марк ван ден Берг відзначає, що 3D-друк забезпечує економію часу та коштів, дозволяє швидко виготовляти деталі, проводити численні випробування та оперативно вносити необхідні модифікації у конструкцію та дає можливість створювати більш складні та оптимізовані деталі. Вибір матеріалу Windform SP обумовлений його стійкістю до ударів, вібрацій та деформації, що є критично важливим для безпеки та витривалості боба під час високих навантажень та можливих аварій.

Водночас команди можуть стикатись з деякими практичними обмеженнями. Розміри шипів та конструкція взуття регулюються правилами IBSF, тож команди вимушені координувати свої дії з федераціями, щоб інновації залишалися законними. Потреби спеціалізованого обладнання та інженерної підтримки для виробництва запчастин призведе до збільшення конкурентного розриву між добре фінансованими командами та іншими. І, звичайно, не варто забувати про безпеку – AM-деталі повинні відповідати новим стандартам, а кожна конструкція має бути ретельно перевірена, не дивлячись на успішні польові випробування.

Звісно, ці п’ять технологій лише частина великої революції, яка відбувається у бобслеї та скелетоні останнім часом. За кожними елементами саней, екіпірування та рухами спортсменів приховані десятки інших новацій, про які ми ще мало що знаємо. Попри високу вартість розробок та жорсткі регламентні обмеження, ця інноваційна гонка не зупиняється. Провідні команди продовжують пошук кожної дрібниці, покращення якої приносить їх спортсменам успіх та медалі. Звичайно, хотілося б бачити серед таких команд і нашу збірну, оскільки з кожним роком топи все далі відриваються від нас у технологіях. Однак, все ж технології самі по собі не приносять медалей. Вони лише показують, хто здатен використати їх найточніше, хто зможе поєднати науку і цифри з досвідом та фізичними даними. Саме це й зберігає ідеальний баланс між інноваціями та людською майстерністю.