Sport Dynamics Lab利用Flexdynamics測試、數字模型和人工智能工具比較設計、材料和系統，實現螺旋槳、無人機和振動結構的優化潛力。

復合材料在體育世界中依然扮演著重要角色。新材料正在生產更輕、更堅固、更耐用且定制化的滑雪板、自行車、雪橇、沖浪板、球棒、球拍、高爾夫球桿、球拍、桿子、曲棍球桿、頭盔和鞋子。與此同時，提升體育可持續性的壓力正在增加，但制造商必須在性能方面取得平衡。這種表現不僅僅取決于設備，更取決于運動員與設備的互動。

安道爾體育動力實驗室帶來了一種全新的績效評估方法。它超越了標準化靜態測試，測量設備的動態響應，結合運動員遙測和其他傳感器數據集，并運用人工智能提供相關性和可操作的洞察。公司還基于這些數據創建了數字孿生，以驗證設備性能預測，從而加快原型開發和評估。

Sport Dynamics Lab 創始人亞歷克斯·亨格十多年來一直與 Mavic、Salomon、Nidecker 集團等品牌以及頂級職業車隊合作開發和推動這項技術的發展。

他解釋道：“我們幫助團隊和制造商基于證據做出性能決策，結合動態測試、現場遙測和建模。”“對于制造商來說，我們能夠理解這些復雜系統中實際發生的事情，并實現客觀比較，幫助改進產品設計和優化材料。通過我們專利的Flexdynamics測試和'經驗數字孿生循環'工作流程，我們正在將假設和'感受'轉化為準確數據，重塑績效的衡量和理解方式?！彼€認為，這一方法有望將這一方法從體育擴展到無人機等領域，包括螺旋槳葉片和機翼，在這些領域，動態響應在性能和耐用性方面也起著關鍵作用。

三點彎法還不夠

亨格說，在單板滑雪和滑雪板領域，幾乎所有制造商的性能評估主要基于靜態剛性和順應性?！拔以趺粗阑┌遒|量好壞不壞？它通過三點彎曲測試，如果數值在某個范圍內，那就沒問題，“他解釋道。“但我們測試過同樣剛性的滑雪板，當它們在雪道上測試時，運動員會說，'這塊真的很好，但那塊很差。'他們“感受到”的不是靜態屬性，而是動態行為。我們已經看到，許多剛度大致相同的滑雪板在阻尼、扭轉和彎曲時的反應截然不同?！?/p>

運動動力學實驗室通過結合實驗室測試結果與使用中的精密GPS、加速度計及其他傳感器的遙測數據，將動態行為轉化為數據，并運用人工智能工具獲取洞察。

阻尼是指系統中振蕩隨時間的減少。在運動器材中，這些振蕩是由動能輸入引起的，并被結構材料阻尼所消散，盡管在使用過程中，摩擦力或空氣阻力等其他因素也可能參與其中。“當滑雪者或單板滑雪者談論靈敏時，這實際上是扭轉阻尼，” 亨格說?！拔覀冊谂c尼德克集團進行的一項大型相關研究中，可以清楚地看到這一點。”

他還提到了與自行車輪轂制造商Mavic合作完成的一項研究?！霸谖覀兊臏y試中，當將鋁合金輪轂與設計和尺寸相同的全碳纖維復合材料輪子進行比較時，橫向行為與阻尼的相關性比剛度的關系更強?！避囕喌臋M向行為對性能至關重要—不僅影響穩定性和操控，還能有效將動力從騎手傳遞到摩托車。

“在體育領域，我們相信系統以某種方式運作，但很少有人能用物理學的角度衡量這些系統實際在做什么，”亨格說?！拔艺噲D通過收集和分析數據來揭示實際發生的事情，建立相關性并促成更好的決策?！?/p>

解決方案的開發

亨格擁有20年的研發經驗?！拔业牡谝环莨ぷ魇亲鳛楣I設計師和工程師，為勞斯萊斯和阿斯頓·馬丁開發內飾，為醫療行業測量肺活量，并在飛利浦負責照明。在所有這些工作中，我一直在打造自己的機器。有一個項目需要做熱成型，所以我自己組裝了真空成型機和小型注塑機。”

“嘗試開發更可持續的沖浪板材料，是我開始看到振動阻尼影響的地方，”他繼續說道，“我意識到我需要一些測試方法。于是，我做了一個類似三點彎曲機的東西，但帶有彎曲的臂，這樣快速釋放時，木板會彈跳，我能看到阻尼現象。隨后我開發了軟件，成功實現了高質量的數據和可重復性。那是2018年?！?/p>

亨格為這項技術申請了專利，稱為Flexdynamics?！暗谑褂眠^程中真實物理現象的數據，”他解釋道?！澳繕耸潜M可能接近產品的使用方式，但又能準確測量和重復?！?/p>

接下來最難的部分是理解數據背后的物理原理，“尤其是數學方面。在公司發展過程中，我們也建立了遙測能力。我們擁有厘米級的GNSS（全球導航衛星系統，GPS所在的傘狀系統），配備實時校正功能，以及運動員訓練的標準設備。這些實際使用數據同樣重要。例如，滑雪板或自行車車架上的加速度計捕捉不同地形和速度下的振動特征，這些振動表現為不同的頻率內容。然后我們將這些數據與實驗室檢測結果進行交叉對比，從而促進更好的理解?！?/p>

亨格仍需讓整個方法協同工作以提供價值?！拔覀儞碛芯_的數據，幫助我們理解物理原理，但必須以賦予意義的方式進行分析和可視化?！盨port Dynamics Lab現提供包括研發、測試和結果解讀在內的多項服務?！拔业目蛻魪哪戏?、法國、瑞士到亞洲，包括體育器材品牌、OEM、車隊和個人運動員?！?/p>

工作原理

一只滑雪板正在Flexdynamics機上測試。

亨格舉了一個評估滑雪板的例子?！拔視_定使用時接觸點的位置，這兩個底座將是支撐滑雪板的。在這些抓握點，它不能上下移動，但你可以自由移動。然后我把加載臂移到滑雪固定器所在的位置。用軟件，我把臂的位移從2毫米降到30毫米。達到該設置后，停止時間不到1秒，記錄施加的力度，然后松開?；┌鍟S之擺動?！?/p>

Flexdynamics在扭轉中測試單板滑雪板，以及比較扭轉響應（左）及其他動態性質（右）的測試數據。

機器上的傳感器記錄振蕩頻率為每秒≈240采樣，直到振蕩停止?！败浖貜蜏y試，直到達到我們設定的初始位移容差±1毫米內的10次試驗，”他解釋道?！爸?，我們通常會測試滑雪板的尖端和尾部。然后我們會抬起手臂并進行扭轉測試。我們先記錄接觸點的角度和施加的扭力，然后重復10次，但施加扭轉，進行同樣的阻尼測試。所有數據都會被記錄，然后利用AI工具進行分析，以篩選數據、識別模式并提供客觀反饋。我的目標是讓人工智能從數據中學習?！?/p>

為什么是扭轉？“扭轉會改變滑雪板或單板滑雪板的阻尼行為，” 亨格指出?！拔覀兊南嚓P研究顯示，這正是運動員的感受。無扭轉的Flexdynamics測試顯示，運動員的評估幾乎沒有相關性。但憑借我們完整的阻尼和扭轉數據，我們可以理解厚度、設計或材料的變化如何影響所用設備的性能?！?/p>

第一響應，能量耗散，復雜系統

Sport Dynamics Lab測試的產品通常表現為欠阻尼系統—即它們在擾動后振蕩，最終沉降?！霸谶@些系統中，最具信息量的特征往往出現在響應開始時，” 亨格說?！暗谝粋€反彈峰值給出一個簡單的回彈（超沖）比率—例如，如果你將滑雪板向下移動10毫米，釋放后向上反彈5毫米，則回彈比率為50%;如果反彈7毫米，則為70%?！?/p>

Flexdynamics 超越三點彎曲測試，不僅提供剛度數據，還提供一套完整的阻尼和扭轉數據，包括初始響應和阻尼系數，這相當于用于比較材料、設計和系統的動態指紋。

“第一個峰值還反映了結構回彈的速度。兩只滑雪板的靜態剛度可能相同，但其中一塊反彈更快。這種'彈回'時機與運動員所說的'彈跳'或反應性密切相關—例如，對于需要快速垂直抬升和旋轉的單板和滑板動作非常重要?！?/p>

“除了第一個峰值之外，我們還量化了振蕩的衰減以及系統消耗了多少能量，” 亨格說?！霸谡鎸嵲O備中，這種阻尼通常是'有效'阻尼—不僅是材料阻尼，還包括接口、摩擦、組件，甚至某些產品的輪胎或綁定系統造成的損失。為了使其可行，我們提取反映能量吸收和控制的指標，這些是自行車車把等部件的關鍵特性。”

車把并非簡單的系統，由多根管子和其他部件組成，但自行車輪子則復雜得多。亨格解釋道：“你有輻條張力、輻條材料與輪圈的不同、輪圈截面、輪胎、胎壓和外殼厚度——這些變量相互作用很多。每個供應商都試圖隔離自己的部分，但騎手體驗的是系統層面的動態響應。”

“我們的方法正是為這種現實而設計的，”他繼續說道。“我們將受控實驗室測試與設備和運動員的遙測和傳感器結合起來，創建一個輪廓—即激發如何從道路或坡道進入系統，以及運動員本身—以便我們能夠解讀實際使用時重要的動態?！?/p>

仿真，端到端解決方案

有限元分析和仿真用于驗證性能預測，加快原型開發和評估。

然而，預測和理解性能的關鍵部分是通過建模和仿真來增強Flexdynamics的測試。“我們正在結合有限元分析（FEA）模擬與測試，利用多種模擬軟件程序復制現實中相同的載荷條件和邊界條件。在靜態有限元素分析中，我們在受控靜態情況下實現了±%的一致性。這意味著我們在建模和測量方面非常接近。制造商可以攜帶三種或20種不同的結構，我們會進行Flexdynamics測試和相應的有限元素分析，以便準確表征材料，并配備自動化分析工具。這促成了我們所稱的實證數字孿生循環，不僅能評估行為，還能引入變化以預測和驗證新的績效?！?/p>

Sport Dynamics Lab 隨后以運動員、團隊和制造商在線訪問的方式可視化這些數據，包括顯示速度、運動員運動學以及系統振動和阻尼的地圖。“他們這樣可以理解產品的性能，” 亨格說，“同時也能了解如何改進轉彎等方面。這些洞察還可以與校準的虛擬孿生相關聯，從而可以同時解讀多個指標。這種方法也便于比較，因為你可以看到自行車A和自行車B的表現，以及它們在不同場景下的表現?！?/p>

“因此，我們不僅在測量，還在建模并整合兩者到開發工作流程中，”他補充道?！拔覀兊慕鉀Q方案是橫向的—從端到端運行。我不僅想給出Flexdynamics測試的答案，還想與統計模型和AI分析中的洞見交叉?！?/p>

生物基和回收材料的評估

“這是我熱愛的領域，” 亨格說?！拔以?017年沖浪板工作期間得到了Entropy Resins的贊助。”Entropy成立于2010年，是生物環氧的早期先驅。2018年，該公司被生產West System和Pro-Set 環氧樹脂的Gougeon Brothers收購。亨格還曾使用Bcomp亞麻纖維增強劑。

數據、建模和人工智能輔助分析使得不同材料在應用中得以比較，比如這里展示的沖浪板，有助于確保性能得以保持甚至提升，例如采用更可持續的新型材料和工藝。

“許多群體希望從傳統復合材料轉向更環保和可持續的產品，” 亨格說，并指出5-6年前生物基環氧樹脂的采用仍然有限?！艾F在情況已經改變，這非常好，但我認為行業仍需要時間和數據來建立對這些生物復合材料在實物中表現的信心。數據驅動的測試、建模和人工智能輔助分析可以幫助加快學習周期，減少反復試驗?！?/p>

亨格觀察到一個問題，品牌或制造商希望提升可持續性，但又不愿改變設計?！拔覀兛吹娇梢允褂迷S多新材料，但板子可能需要更厚或更薄，才能達到同樣的彈性。我的做法是停止現場的試錯，先去實驗室。我們先從你已經制作的滑雪桿或曲棍球桿開始，建立靜態和動態特性的基線。然后我們可以在原型中嘗試不同的材料。當你篩選出想在行業中試驗的對象時，你也會有數據顯示它們在阻尼和扭轉方面表現是否相同或不同，測試則成為最終驗證。這種方法降低了風險，使嘗試這些新材料更具經濟性?！?/p>

性能指標可以客觀地比較不同品牌和設計，比如這里展示的滑雪板。

未來應用

體育動力學實驗室正致力于實現符合ISO的程序和認證，并設想在體育之外的更廣泛應用領域?！拔业淖龇ū葌鹘y體育方法更接近航空航天實踐，” 亨格說，“但調整以適應更小的預算和更短的時間表。我正在嘗試采用一種既經濟實惠又能提供數據和可操作洞見，同時又靈活的方法，因為你不能用自行車輪子運行多年研發周期?！?/p>

Flexdynamics機器已被改裝用于測試各種產品、材料和行為

“我們正在利用Flexdynamics機器測量比以往更廣泛的產品、材料和行為。之前，我們專注于剛度、回彈和阻尼指標，但現在我們已經創建了多種不同的夾具，例如用于測量輪胎，既用于自由響應測試，也包括在漸進載荷和壓力下的輪胎測量。這為測量多種彈性體材料打開了大門，包括泡沫和細胞結構。我們也可以加入不同的機器?！?/p>

運動動力學實驗室未來可能的應用包括無人機和賽車運動中承受高振動載荷的結構

“我很想開始與無人機合作，因為它們的使用正在迅速擴展，我們必須了解螺旋槳葉片、機翼和支撐件在承受系統中所有動態載荷和激發時會發生什么，” 亨格繼續說道。“我們還看到在賽車運動空氣彈性方面的應用—例如，主要響應空氣動力學載荷而非直接驅動的被動元件。我們也可以衡量這種行為，但我們是小公司，所以會一步步進步?！?/p>

“我們現在擁有多種產品、幾何形狀和材料的經驗，能夠構建模擬，幫助我們預測結構和系統的動態響應。我們努力確保所提供的數據盡可能準確且真正有用—幫助公司和團隊做出關鍵決策。我們將這種方法應用于自行車、雪上運動和綜合運動—將感覺和假設知識轉化為可測量的物理和客觀數據。復合材料，按定義，是一個由組件組成的系統。而我們優化的設備代表了另一種系統規模—不僅要優化復合材料，還要優化整體設計。要成功，你必須能夠協調系統。而要做到這一點，你需要可靠的數據?！?/p>

原文《Dialing in composites performance via dynamic digital twins》

楊超凡