2025年大學(xué)《智能體育工程》專業(yè)題庫——體育裝備設(shè)計(jì)中的智能傳感技術(shù)與智能材料的應(yīng)用研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（每題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述加速度傳感器和陀螺儀在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中各自的主要作用和區(qū)別。2.比較肌電傳感器（EMG）和心率傳感器（PPG/ECG）在捕捉人體生理信號(hào)方面的主要特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。3.簡(jiǎn)述形狀記憶合金（SMA）和電活性聚合物（PAPs）這兩種智能材料的獨(dú)特性能，并說明它們?cè)诳纱┐髦悄荏w育裝備中可能的不同應(yīng)用方向。4.在體育裝備設(shè)計(jì)中應(yīng)用智能傳感器時(shí)，需要考慮哪些關(guān)鍵因素？請(qǐng)至少列舉四點(diǎn)。5.什么是能量收集技術(shù)？請(qǐng)列舉三種在智能體育裝備中可用于能量收集的技術(shù)類型，并簡(jiǎn)要說明其原理。二、論述題（每題10分，共30分）6.結(jié)合具體體育項(xiàng)目或裝備的例子，論述集成多種智能傳感器的優(yōu)勢(shì)，以及可能面臨的挑戰(zhàn)（如數(shù)據(jù)融合、功耗、成本等）。7.以智能跑鞋為例，詳細(xì)論述智能材料（如嵌入式傳感器、能量收集纖維、自適應(yīng)發(fā)泡材料等）的應(yīng)用如何提升跑者的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)、舒適度或安全性。8.隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能體育裝備的設(shè)計(jì)理念正在發(fā)生深刻變化。請(qǐng)結(jié)合這些技術(shù)趨勢(shì)，論述未來智能體育裝備設(shè)計(jì)可能呈現(xiàn)的新特點(diǎn)和發(fā)展方向。三、設(shè)計(jì)題（15分）9.假設(shè)你需要設(shè)計(jì)一款用于改善跑姿的智能訓(xùn)練背心。請(qǐng)闡述你將選擇哪些關(guān)鍵類型的傳感器（至少兩種）以及可能的智能材料，并說明選擇這些技術(shù)和材料的原因，以及它們?nèi)绾卧诒承闹袇f(xié)同工作來提供跑姿反饋和支撐優(yōu)化。試卷答案---一、簡(jiǎn)答題答案及解析1.答案：加速度傳感器主要測(cè)量物體沿三個(gè)坐標(biāo)軸的線性加速度，用于計(jì)算速度、位移和檢測(cè)沖擊，反映運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和方向。陀螺儀主要測(cè)量物體繞三個(gè)坐標(biāo)軸的角速度，用于檢測(cè)和維持方向、姿態(tài)和旋轉(zhuǎn)。區(qū)別在于：加速度傳感器測(cè)線性運(yùn)動(dòng)，陀螺儀測(cè)角運(yùn)動(dòng)；加速度傳感器有慣性，其輸出會(huì)隨時(shí)間積分得到速度和位移，而陀螺儀直接反映旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。解析思路：考察對(duì)基礎(chǔ)傳感器的核心功能和區(qū)別的理解。需明確各自測(cè)量的物理量（線加速度vs角速度）及其在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的基本作用。2.答案：肌電傳感器（EMG）捕捉肌肉活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的微弱生物電信號(hào)，反映肌肉收縮狀態(tài)和力量，應(yīng)用在肌肉疲勞、力量輸出分析等。心率傳感器（PPG/ECG）測(cè)量心臟跳動(dòng)引起的血容積變化（PPG）或電活動(dòng)（ECG），反映心率、心率變異性等心血管狀態(tài)，應(yīng)用在有氧負(fù)荷、恢復(fù)監(jiān)控等。特點(diǎn)區(qū)別：EMG信號(hào)微弱需高增益放大，ECG/PPG信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)；EMG無創(chuàng)但信號(hào)處理復(fù)雜，ECG需電極接觸，PPG可無創(chuàng)或微創(chuàng)；EMG空間分辨率高，ECG/PPG更側(cè)重時(shí)間序列分析。解析思路：考察對(duì)兩種核心生理傳感器的特性比較。需從測(cè)量原理、信號(hào)特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域、優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行對(duì)比。3.答案：形狀記憶合金（SMA）在受熱或受力時(shí)能恢復(fù)其預(yù)設(shè)形狀，可用于制作自適應(yīng)結(jié)構(gòu)（如自動(dòng)緊固件、形狀記憶支架）。電活性聚合物（PAPs）在外加電場(chǎng)作用下能改變形狀、尺寸或產(chǎn)生應(yīng)力/應(yīng)變，可用于制作驅(qū)動(dòng)器、柔性傳感器、可穿戴執(zhí)行器。應(yīng)用方向：SMA偏向結(jié)構(gòu)自適應(yīng)、能量吸收；PAPs偏向柔性驅(qū)動(dòng)、傳感與執(zhí)行一體化。解析思路：考察對(duì)兩種智能材料核心原理和潛在應(yīng)用的理解。需明確各自獨(dú)特的物理機(jī)制及其在體育裝備中可能實(shí)現(xiàn)的功能創(chuàng)新。4.答案：關(guān)鍵因素包括：①測(cè)量精度與范圍是否滿足應(yīng)用需求；②響應(yīng)頻率是否足夠捕捉動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)；③功耗是否滿足續(xù)航要求，尤其是在可穿戴或便攜式設(shè)備中；④尺寸與重量是否便于集成且不影響運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)；⑤環(huán)境適應(yīng)性（溫度、濕度、沖擊等）；⑥信號(hào)接口與通信的兼容性與穩(wěn)定性；⑦成本與可靠性。解析思路：考察對(duì)傳感器選型和應(yīng)用設(shè)計(jì)的實(shí)際考量。要求學(xué)生能從工程實(shí)踐角度列舉影響傳感器選擇的關(guān)鍵參數(shù)。5.答案：能量收集技術(shù)是指從環(huán)境中的非電能形式（如光能、振動(dòng)能、溫差能、機(jī)械動(dòng)能等）收集并轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。在智能體育裝備中可能的技術(shù)類型：①振動(dòng)能量收集（利用運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)）；②摩擦納米發(fā)電機(jī)（利用運(yùn)動(dòng)部件間的摩擦）；③壓電能量收集（利用運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力變化）。解析思路：考察對(duì)能量收集概念及其在特定領(lǐng)域應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。要求列舉實(shí)例并簡(jiǎn)要說明原理。二、論述題答案及解析6.答案：集成多種傳感器的優(yōu)勢(shì)在于能夠全面、立體地獲取運(yùn)動(dòng)過程中的多維度信息。例如，結(jié)合加速度計(jì)、陀螺儀、心率、肌電、GPS等，可以構(gòu)建完整的運(yùn)動(dòng)生理和生物力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)評(píng)估、技術(shù)動(dòng)作分析、疲勞監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。挑戰(zhàn)包括：①數(shù)據(jù)融合復(fù)雜，如何有效融合來自不同傳感器的異構(gòu)數(shù)據(jù)是一個(gè)難題；②高功耗，多個(gè)傳感器同時(shí)工作會(huì)顯著增加設(shè)備能耗，影響續(xù)航；③成本增加，集成更多傳感器會(huì)提高裝備成本；④信號(hào)干擾與噪聲，不同傳感器信號(hào)可能相互干擾，數(shù)據(jù)處理難度加大；⑤數(shù)據(jù)傳輸與處理，海量數(shù)據(jù)需要高效的傳輸鏈路和邊緣計(jì)算能力。解析思路：考察對(duì)多傳感器系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)的深入理解與綜合分析能力。需結(jié)合實(shí)例說明優(yōu)勢(shì)，并系統(tǒng)闡述面臨的工程挑戰(zhàn)。7.答案：智能材料在智能跑鞋中的應(yīng)用可帶來多方面提升：①性能監(jiān)測(cè)與反饋：通過嵌入的壓力傳感器、加速度傳感器或肌電傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)足底受力分布、步態(tài)參數(shù)或肌肉活動(dòng)，并通過鞋面振動(dòng)、LED或APP反饋給跑者，幫助優(yōu)化跑步技術(shù)，預(yù)防損傷。②自適應(yīng)支撐與緩沖：利用形狀記憶合金或凝膠狀電活性聚合物，根據(jù)跑者的體重、步態(tài)和沖擊力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鞋中支撐結(jié)構(gòu)和緩沖材料的硬度或形狀，提供個(gè)性化的支撐和能量回饋。③能量收集與自供電：集成摩擦納米發(fā)電機(jī)或壓電材料，收集跑動(dòng)過程中鞋底與地面的摩擦能或沖擊能，為鞋內(nèi)傳感器、指示燈或小型顯示屏供電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能自供。解析思路：考察結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景（智能跑鞋）分析智能材料作用的能力。需能具體說明不同材料如何實(shí)現(xiàn)功能提升，并覆蓋性能、舒適、能源等多個(gè)方面。8.答案：未來智能體育裝備設(shè)計(jì)可能呈現(xiàn)以下新特點(diǎn)和發(fā)展方向：①高度集成化與小型化：傳感器、計(jì)算單元、能源系統(tǒng)、執(zhí)行器等更加緊湊地集成在裝備中，實(shí)現(xiàn)無感穿戴和更自然的用戶體驗(yàn)。②智能化與自主性：融合AI算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別、實(shí)時(shí)策略建議甚至自主調(diào)整裝備參數(shù)（如自適應(yīng)鞋墊）。③個(gè)性化和自適應(yīng)：基于用戶數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)反饋，裝備能自動(dòng)調(diào)整設(shè)置以適應(yīng)個(gè)體需求和環(huán)境變化，提供千人千面的訓(xùn)練和運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。④互聯(lián)化與平臺(tái)化：通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接裝備、用戶和教練/平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程監(jiān)控、社群互動(dòng)和大數(shù)據(jù)分析。⑤功能融合與多功能化：?jiǎn)我谎b備集成多種功能，如同時(shí)監(jiān)測(cè)生理參數(shù)、運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)并提供反饋和能量補(bǔ)給。解析思路：考察對(duì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)前瞻性的理解和運(yùn)用能力。需結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等前沿技術(shù)，預(yù)測(cè)其對(duì)體育裝備設(shè)計(jì)的深刻影響，并系統(tǒng)闡述未來形態(tài)和特點(diǎn)。三、設(shè)計(jì)題答案及解析9.答案：設(shè)計(jì)用于改善跑姿的智能訓(xùn)練背心：①傳感器選擇：選用嵌入式加速度傳感器和陀螺儀，分布于背心關(guān)鍵區(qū)域（如胸椎、骨盆兩側(cè)），用于捕捉跑動(dòng)過程中的軀干晃動(dòng)、側(cè)傾角度和上下顛簸。同時(shí)，可考慮集成肌電傳感器監(jiān)測(cè)核心肌群的激活狀態(tài)。②智能材料選擇：選用柔性壓電材料布于背部，用于收集跑動(dòng)沖擊能并轉(zhuǎn)化為電能，為傳感器供電。選用形狀記憶合金線或可變剛度泡沫材料制作部分背部或腰側(cè)支撐結(jié)構(gòu)，根據(jù)收集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過控制單元調(diào)節(jié)支撐結(jié)構(gòu)的硬度或形狀，提供實(shí)時(shí)、自適應(yīng)的支撐或阻尼。③協(xié)同工作原理：傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)跑姿數(shù)據(jù)（晃動(dòng)、側(cè)傾、顛簸、核心激活），通過內(nèi)置微控制器進(jìn)行處理和融合分析。當(dāng)檢測(cè)到跑姿超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)（如過度側(cè)傾），微控制器觸發(fā)形狀記憶合金結(jié)構(gòu)變硬或泡沫變軟，提供額外的支撐或阻