Executive Summary
- 科学正在体育运动的诸多领域取得进展，包括运动表现、安全性、营养学等。
- 气凝胶极其轻盈且多孔，非常适合用于防护性运动装备，既不会显得笨重，又能有效吸收巨大的冲击力。
- 导电聚合物和摩擦纳米发电机正被整合到柔性传感器中，无需外部电源即可监测运动员的健康状况和运动表现。
- 运动员的营养方案正趋于个性化，以最大程度地优化生理机能。
- 碳纳米管正在使运动装备变得更强、更轻。
- 得益于聚合物、纳米技术和涂层技术的进步，人造草坪变得更加柔软、灵活且耐用。
运动科学不断推陈出新，通过创新来支持运动员的健康并推动更好的表现——这不仅体现在足球场上，也体现在篮球场、冰球场和美式足球场上。从纳米级材料到人体营养的优化，科学突破正在提升我们所热爱的运动。
运动员如何才能在多轮比赛和夏季高温等严苛条件下保持健康并发挥出巅峰水平？
气凝胶：改进防护装备
凭借其超低密度、高孔隙率和极低导热系数的独特组合， 气凝胶 已成为防护装备领域的高性能材料。其低密度使其重量极轻，这意味着安全装备可以做得更薄、更轻便。在足球这类毫秒必争且每场比赛奔跑距离超过10公里的运动中，即使是微小的装备减重也能带来巨大的差异。
气凝胶的孔隙率使其成为冲击防护的理想材料，因此被广泛应用于护腿板、靴子鞋垫、防护衬垫和头盔中。其纳米多孔结构提供了卓越的隔热性能，当融入制服或训练服等纺织品中时，有助于运动员在各种环境条件下保持舒适。这种体温调节水平在盛夏的球场或隆冬的美式足球场上都极具价值。
摩擦纳米发电机（TENGs）与导电聚合物：用于实时监测的先进电子设备
嵌入运动员服装中的传感器可以监测速度和移动距离（例如足球运动员队服下的背心），但这些设备也可用于监测心率、肌肉活动，甚至汗液成分。 导电聚合物 如 PEDOT:PSS 和聚苯胺（PANI），具有高度的柔韧性，可以融入纺织品和柔性物质中，从而实现可穿戴电子传感器。
这些类型的生物传感器除了监测心率等生理信号外，还能监测电解质水平、乳酸和皮质醇水平。在压力敏感层中，例如嵌入护腿板或鞋垫时，它们可以追踪运动和冲击分布，从而为优化训练以预防损伤提供依据。
自供电传感器是另一种在不为运动装备增加笨重电池的情况下，持续监测运动员表现的方法。 摩擦纳米发电机 （TENGs）通过运动收集电能，这意味着运动员的每一次冲刺、击球或对抗都能为监测他们的传感器供电。TENGs 嵌入智能袜、球衣和其他装备等纺织品中，可提供心率、疲劳度和水分水平的生物特征追踪。
除了这些健康和安全措施外，TENGs 还可以为追踪步态模式甚至踢球力度的传感器供电，从而为训练和分析提供参考。“互联球技术”于 2022 年首次使用，旨在提供精确的实时数据，以支持快速准确的越位判罚。TENGs 可以通过消除对感应充电的需求，在球滚动和旋转时为其供电或充电，从而增强这种设备的功能。
运动营养学：优化运动表现
运动营养学已从简单的宏量营养素建议发展为一门复杂的生物科学，专注于调节代谢、恢复、免疫和长期适应。当代研究 将 营养视为运动表现的分子调节剂，能够改变生化途径、基因表达、线粒体效率以及宿主与微生物群的相互作用。
饮食策略现在是根据个人独特的生理特征量身定制的，而不是应用于整个运动员群体。营养领域的一些关键创新包括：
- 碳水化合物代谢： 连续血糖监测 （CGM）揭示了不同个体在血糖波动、底物利用和葡萄糖动力学恢复方面存在显著差异。一项 近期研究 表明，基于 CGM 的碳水化合物补给方案比传统的基于间隔的补给方案能更有效地稳定组织间液葡萄糖水平，这表明实时代谢反馈可以提高燃料利用效率，即使在表现终点看起来没有变化时也是如此。
- 肠道微生物群： 肠道微生物群已成为营养代谢、免疫信号传导、炎症控制和短链脂肪酸（SCFA）产生的关键调节者：这些过程与运动表现和恢复密切相关。 一项近期研究 结合了耐力运动员和阻力训练运动员的宏基因组学和代谢组学分析，发现高蛋白与可发酵纤维相结合的饮食与改善脂肪酸代谢、氨基酸生物合成以及减少与运动相关的炎症有关。
- 蛋白质和氨基酸： 运动营养学研究已从关注蛋白质摄入总量转向关注氨基酸组成和功能性结果。例如，亮氨酸是 mTORC1 信号通路和肌肉蛋白质合成的关键激活剂，尤其是在运动后状态下。对篮球运动员进行短期亮氨酸补充 改善了 短跑表现，并改变了与免疫调节、细胞骨架组织和组织修复相关的骨骼肌基因表达，这表明其在高强度间歇运动期间对恢复和训练耐受力具有潜在益处。关于胶原蛋白衍生肽的研究 表明 其对结缔组织适应具有潜在益处，同时补充胶原蛋白可能有助于肌腱重塑和增强组织韧性。
碳纳米管：更强劲的装备，更安全的运动员
碳纳米管以其极高的抗拉强度和低密度而闻名， 碳纳米管 （CNTs）可被掺入聚合物复合材料中，用于网球拍、棒球棒、板球棒、曲棍球杆和自行车车架等体育器材。基于碳纳米管的复合材料还能增强鞋类的能量回馈和减震性能，从而有助于提升运动表现并降低受伤风险。与碳纤维类似，碳纳米管也可用于护胫板和其他防护装备。除了作为增强材料外，碳纳米管还具有导电性，因此可以为体育器材中的传感器供电。
在足球中，碳纳米管增强的复合材料层可以改善球体形状保持力、气压稳定性以及在高速比赛和粗糙场地条件下的耐磨性。
人造草坪：通过材料科学打造更好的球场
自 20 世纪 60 年代 AstroTurf 问世以来，人造草坪技术已取得显著进步。如今的人造运动场地既能复刻天然草坪的触感和性能，又能提升安全性和耐用性。
科学家们利用聚合物开发出了更柔软、更具弹性的合成纤维，用作草坪纤维和草垫层，例如 聚乙烯 和聚丙烯。这些材料柔软且富有弹性，既能减少擦伤和损伤，又具备耐紫外线、防潮和耐温差的耐久性。
工程化的减震 底层和缓冲系统 由泡沫、橡胶和聚合物复合材料制成，有助于减轻运动员在快速移动、冲撞和跌倒时膝盖和脚踝的压力。同时，生物力学研究被用于优化表面抓地力，使运动员能够在不增加受伤风险的情况下快速改变方向。对软木、 椰子纤维、橄榄核和核桃壳等替代性有机填充材料，以及热塑性弹性体和三元乙丙橡胶（EPDM）等合成材料的研究，正在帮助提高运动员的安全性，同时减少热岛效应，并解决与传统废旧橡胶填充物相关的环境问题。
在草坪系统下方，由骨料、砾石或多孔沥青制成的工程排水层被用于促进雨水快速流走，防止表面积水，从而使场地在雨后能迅速干燥并保持稳定的可玩性。目前，人们正在开发隔热涂层和保水技术，以保持草坪表面在炎热天气下的凉爽。 纳米技术 通过提高抗紫外线能力、耐磨性和表面使用寿命，进一步增强了人造草坪的性能；而嵌入传感器的实验性智能草坪系统则可以实时监测运动员的移动、冲击力、表面温度和场地状况。
通过科学创新实现更好的安全性和运动表现
这项美丽的运动深受全球人民的喜爱，得益于众多的科学进步，运动员们能够发挥出更好的水平，保持健康，并降低受伤风险。这些创新已扩展到足球以外的许多运动领域，并且凭借从 CAS Content CollectionTM 中获得的见解TM，作为全球最大的经人工收录的科学信息库，我们能够随时掌握每一赛季和每一场赛事中运动创新的脉搏。
