Biološka povratna zanka: kako lahko izmerimo uspešnost v športu?

Napori, vetrovi, dež, potenje, odrekanja in preizkušnje. Šport je gibanje, kjer lahko s premikanjem telesa na pravi način dosežeš zelo veliko. Pri tekmovalnem športu šteje vsaka najmanjša napaka, vsak gib, kdo bo boljši in kdo bo prej na cilju. Če ti uspe prebiti magično mejo nadpovprečno dobrega odstotka, te to lahko vodi do vrhunskega rezultata. Problem se pojavi, če se profesionalni športnik poškoduje. Pri tem mu lahko pomaga sistem biološke povratne zanke.

Analiza gibanja omogoča boljše razumevanje

S sistemom biološke povratne zanke in njegovim razvojem se ukvarjajo na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, v Laboratoriju za informacijske tehnologije, kjer sodelujejo izr. prof. dr. Anton Kos, doc. dr. Anton Umek, doc. dr. Sara Stančin in mladi raziskovalec Matevž Hribernik. Predstojnik laboratorija je prof. dr. Sašo Tomažič, ki je hkrati tudi vodja programa na Javni agenciji za raziskovalno dejavnost Republike Slovenija (ARRS). Da lahko razvoj poteka nemoteno, skrbi agencijski program ICT4QoL  ̶  Informacijsko-komunikacijske tehnologije za kakovostno življenja, od koder se raziskave delno tudi financirajo.

Sistem biološke povratne zanke je ideja, kako izmeriti in ovrednotiti gibanje na načine, ki jih prej ljudje nismo mogli občutiti oziroma razbrati. Uporaben je za boljše in natančnejše razumevanje gibanja, pri preprečevanju poškodb in v rehabilitaciji. Omogoča tudi povečanje zmogljivosti v športu, saj podaja povratne informacije o uspešnosti ali napakah, ki športnemu trenerju in njegovemu varovancu ob pravilni uporabi in razumevanju pridobljenih podatkov omogočajo prednost pred konkurenco. Trenutno tipično podajanje povratnih informacij v športu izgleda tako, da na primer trener snema tekmo, na napake lahko opozarja že med snemanjem, velikokrat pa si s športniki posnetek tekme ogleda za nazaj in tako analizira njihovo igro. Sistem biološke povratne zanke ponuja še dodatno možnost  ̶  vzpostavitev sistema merjenja, ki deluje sočasno z izvajanjem gibov. To pomeni, da se podatki o posameznikovi dejavnosti obdelajo in interpretirajo v človeku razumljivo obliko. Tako lahko športnik določene nepravilnosti gibanja odpravi takoj ali pa jih ob naslednjem gibu izboljša. Na podlagi podatkov senzorjev gibanja, ki se pošljejo v procesorsko enoto, ki je največkrat računalnik, se oblikuje povratna informacija o kakovosti gibanja. Če se povezava med športnikom, senzorjem, procesorjem in aktuatorjem, ki podaja povratno informacijo, ne prekine, je zanka sklenjena. To pomeni, da se informacije, ki jih človek sam po sebi ne more zaznati, s pomočjo tehnologije interpretirajo na razumljiv in uporaben način. Pomembno se je zavedati, da tudi šport živi v družbi, ki vedno bolj ceni natančno in točno interpretirane informacije, ter se zaveda prednosti, ki jo lahko s tem pridobi.

Začetki razvoja

V Laboratoriju za informacijske tehnologije so se s sistemom biološke povratne zanke v športu začeli ukvarjati med letoma 2014 in 2015. Bili so med prvimi, ki so se tej temi resno posvetili, eni izmed redkih v tistem času, ki so v fokus svojega delovanja postavili ta sistem. “Takrat so senzorji za zaznavo gibanja postali zadosti dobri, da se je to lahko začelo bolj natančno meriti,” je povedal izr. prof. dr. Anton Kos in dodal, da si lahko takrat znanstvene članke na to temo preštel na prste. Prvi začetki segajo v leto 2011, ko je prof. dr. Sašo Tomažič skupaj s Srđanom Đorđevićem, trenerjem vrhunskih atletov, razvil MC senzor oziroma senzor za merjenje krčenja mišic pri različnih fizičnih dejavnostih, ki se nalepi na kožo.

Sistem biološke povratne zanke: na podlagi podatkov senzorjev gibanja, ki se pošljejo v procesorsko enoto, ki je največkrat računalnik, se oblikuje povratna informacija o kakovosti gibanja. Vir: Anton Kos in Anton Umek (objavljeno z dovoljenjem avtorjev)

Prvi preizkus sistema z biološko povratno vezavo so začeli z golfom. “Golf je zelo zahteven šport, ker če žogico udariš za en milimeter narobe, bo rezultat lahko tudi dvajset metrov drugačen, kot si želel. Ima pa golf eno dobro lastnost, da si ob udarcu načeloma pri miru.” je pojasnil Kos in dodal, da se na ta način zmanjša negotovost merjenja, saj ni nobenega vzporednega premika telesa. Pri športih, kot je na primer košarka, je namreč s senzorji, ki jih nalepiš na telo, merjenje zaradi zelo dinamične igre oteženo. Sistem so prvi preizkusili študenti na Fakulteti za elektrotehniko. Pri nekaterih so med igro golfa sistem uporabili, pri drugih pa ne. “Spremljali smo gibanje glave, ker mora pri golfu glava mirovati,” je Kos izpostavil razlog za natančnost udarca in še obrazložil, da so tisti, ki so glavo preveč premikali, dobili obvestilo o napaki. “Ko smo kot rezultat uspešnosti sistema gledali premikanje glave, smo videli, da so tisti, ki so sistem imeli, glavo premikali veliko manj kot tisti, ki ga ob udarcu niso imeli.” Poskus je dokazal, da sistem deluje.

Na levi: procesorksa enota je zapakirana v torbi za golf, na igralno palico pa je preko igralca povezana z žicami. Na desni: Palica je opremljena s pospeškometrom (IMU) in merilnikom sile (na sliki označeno kot SG). Vir: Anton Kos in Anton Umek (objavljeno z dovoljenjem avtorjev)
Proces zamaha pri golfu. Rumene puščice kažejo orientacijo pametnega telefona: a) vzravnana drža, b) premik iz vzravnane v začetno držo, c) začetna pozicija. Vir: Anton Kos in Anton Umek (objavljeno z dovoljenjem avtorjev)

Delovanje sistema

Preden se signale iz senzorja sploh pridobi in obdela, je potrebno vedeti, katere podatke se potrebuje. Znan mora biti tudi namen njihovega zbiranja. Za merjenje večinoma en senzor ni dovolj, mora jih biti več. Za vsakega posebej pa je potrebno točno vedeti, na kateri del telesa se ga pritrdi, saj so športi, pri katerih je trenutno možna prototipna uporaba sistema že v samem bistvu med sabo zelo različni. Nekateri se izvajajo s cikličnimi gibi, drugi so bolj eksplozivni. Prostor za pritrditev senzorjev na športnikovo telo raziskovalci določijo skupaj s športnimi strokovnjaki. Povratna informacija se velikokrat prenaša preko sistema IR kamer, vendar je slaba stran tega predvsem njihova za teren nepripravna velikost in zamudnost postavljanja, kjer je potrebna tudi večja ekipa strokovnjakov. Takšni sistemi so tudi dragi. “Zato imamo senzorje, s katerimi merimo gibanje tako, da senzor, ki meri razne kinematične parametre gibanja, namestiš na človeka,” je izpostavil Kos. Uporabljajo predvsem pospeškometre, ki merijo pospeške in žiroskope, ki merijo kotne hitrosti, kar pomeni, da merijo hitrost obračanja določene stvari okoli neke osi. Iz tega gibanja tako nastanejo signali, ki se jih zajame in obdela. Uporabniku sistema se v naslednjem koraku sporoči, če so signali skladni s pričakovanji ali je potrebna izboljšava gibanja.

Signali pospeškometra in giroskopa med zaporednim izvajanjem štirih različnih plavalnih tehnik. Vir: Anton Kos in Anton Umek (objavljeno z dovoljenjem avtorjev)

Signale se sporoča na različne načine, pot povratnega sporočanje poteka preko človeških čutil. Dr. Anton Kos pojasni, da je “pri večini športov najbolj uporabljeno čutilo vid, zato največkrat ni primerno, da preko njega podajamo povratno informacijo. Bolj uporaben je recimo sluh, a tudi ne vedno, saj se recimo pri določenih športih športniki med sabo ves čas dogovarjajo o poteku igre, zato bi bilo zanje pri sporočanju povratne informacije bolj primerna uporaba tipa, recimo vibracije.” Za pritrditev senzorjev je mnogokrat pomembno najti mesto, ki je najbližje telesnemu težišču. Zelo primerna je postavitev med 4. in 5. križno vretence, saj se gibanje celotnega telesa najbolje odraža tukaj.

Primer namestitve senzorja na veslo pri kanuju. Vir: Anton Kos in Anton Umek (objavljeno z dovoljenjem avtorjev)
Primer postavitve senzorja na karateista. Senzor so postavili med 4. in 5. hrbtno vretence. Vir: Anton Kos in Anton Umek (objavljeno z dovoljenjem avtorjev)
Naprava za merjenje sile pri udarcu v karateju. Locirana je na roki. Vir: Anton Kos in Anton Umek (objavljeno z dovoljenjem avtorjev)

Za sporočanje povratne informacije sta torej največkrat primerna sluh in tip. Primerna in natančna postavitev senzorjev gibanja je nujna, da ne zmoti samega gibanja. “Če uporabniku rečeš: ‘Pazi, ko ti bo v levem ušesu zapiskalo, to pomeni, da si z levo nogo naredil napačen gib.’ Če mu tega ne poveš, ne bo vedel, kaj ta pisk pomeni,” je rekel Kos in dodal, da se poleg zvočnih signalov lahko uporabi tudi zapestnico  ̶  če recimo zavibrira na zunanji strani roke, opozori na nepravilnosti leve noge in obratno. Razvijajo tudi aplikacije na telefonu, ki vsakemu posamezniku v razumljivi obliki sporočijo analizo gibanja. Pri prenosu informacij je skoraj vedno zahtevan brezžični prenos, ki ima najmanj omejitev. Predstavljajte si sistem, ki za svoje delovanje na športnikovo telo poveže ogromno žic. Tak športnik ne more izvajati predvidenega giba.

Odziv v realnem času

Omenjali smo že, da je cilj raziskovalcev pridobiti povratno informacijo čim prej. Obstajata dva načina: sprotni način podajanja informacije (ang. concurrent feedback), kjer uporabnik dobi povratno informacijo že med izvajanjem gibanja, in analiza po zaključeni aktivnosti (ang. terminal feedback), kjer se beleži izvajanje gibanja, analiza pa se opravi po končani aktivnosti. “Neskončno hitrih stvari na svetu ni, “ je dejal Kos in pojasnil, da noben sistem, ki nekaj obdeluje, ne more podajati zares sočasne povratne informacije. “Vsak sistem, ki obdeluje neke podatke, deluje z določeno zakasnitvijo. Če je ta zakasnitev zelo majhna, recimo stotinko ali dve, včasih pa tudi nekaj več, lahko govorimo o odzivu v realnem času, ne moremo pa govoriti o sprotnem delovanju.” Odziv v realnem času ni vedno sinhron z gibanjem, saj deluje z zelo majhno zakasnitvijo. Najprej je potrebno opraviti meritev in obdelavo podatkov, šele nato se lahko predstavi informacijo, ki bo pripomogla k izboljšanju gibanja, kar se sicer še vedno zgodi med izvajanjem športa. “Recimo pri športih, ki se dogajajo ciklično, kot so na primer tek, veslanje in plavanje, stalno ponavljaš isti gib  ̶  tukaj mi kot podajanje informacij v realnem času razumemo tudi informacijo, ki ti pove, kaj narediti v naslednjem zaveslaju, v naslednjem zamahu ali koraku,” je dr. Kos predstavil delovanje še tretjega načina, ciklične povratne informacije, ki ni čisto sočasen in za vsak gib posebej, ampak velja za naslednjega, ki je prejšnjemu gibu podoben.

Primer namestitve senzorja na veslo pri kanuju. Vir: Anton Kos in Anton Umek (objavljeno z dovoljenjem avtorjev)
Pri kajaku je senzorjev več. Enega namestijo na začetek kajaka, dva pa na veslo. Vir: Anton Kos in Anton Umek (objavljeno z dovoljenjem avtorjev)

Odziv v realnem času pri vseh športih seveda ni možen, niti zaželen. “Predstavljate si, da ugotoviš, da bo košarkaš, ki je že začel z metom na koš, zgrešil. Ali on v tistem trenutku lahko prekine ta met? Težko, ker je že začel z njegovim izvajanjem.” Dr. Anton Kos je poudaril, da je tako ustavljanje med gibanjem nesmiselno. Pri košarki je zato potrebno vzpostaviti sistem, ki analizira met in poda nasvet za naslednji poskus meta na koš.

Cilj sistemov je pomagati športniku, da se pravilno nauči nekega giba. Primerni so tudi za hitrejši potek rehabilitacije po poškodbi. “Hudo je, če se giba narobe naučiš. Se pravi tisočkrat nekaj narediš narobe in to se ti zapiše v možgane,” je razložil Kos in še dodal, da se je še bolj zahtevno pozabiti določen nepravilen gib in se naučiti pravilnega. Tak sistem motoričnega učenja je zelo dolgotrajen, poleg tega je specifičnost izvajanja giba med ljudmi različna, izpostavi Kos. “Ne obstaja le en pravilen gib, ki velja za vse ljudi. Saj veste, eden ima daljše noge, eden ima krajše roke, ni enega načina, ki bi bil najboljši za vse. Mi smo na začetku naših raziskav mislili, da bomo vzeli najboljšega športnika na svetu, ga pomerili, potem bodo morali pa vsi ostali športniki gibe ponavljati po njegovem vzorcu, ampak tako ne gre.” Da je posameznik lahko najboljši, je pri njegovem izvajanju gibanja nujno, da nekaj počne drugače kot večina. Obstaja osebni slog izvajanja vsakega giba, na kar vplivajo razlike v kosteh, mišični masi in telesnem razmerju. “Imeli smo dva zelo dobra golfista. Ob primerjanju njunih signalov nas je presenetilo, da so bili zelo različni, čeprav je bil rezultat isti. Čeprav sta oba naredila točno tisto, kar smo jim rekli in sta nalogo opravila odlično, jo je vsak izvedel na drugačen način, in je nemogoče določiti kdo od njiju je boljši. Idealni gib obstaja le za vsakega človeka posebej. Zato ne moremo vseh gibov posplošiti le na eno odličnost. Smiselno je edino, da se pri posameznem športniku analiza njegovih najboljših gibov primerjalno uporablja pri analizi zaznavanja napak za njega samega. Sistem te ob vsakem napačnem gibu opozori ali pa ti pomaga, da ga ne izvedeš do konca, saj na tak način ni nevarnosti, da se ti shrani v možganih. Če uspeš zadostiti tem pogojem, si v teoriji izboljšal motorično učenje, hkrati pa si ga tudi pohitril.”

Pravočasno zaznavanje utrujenosti in rehabilitacija

Spoznali smo uporabo sistema pri kontinuiranem športnem treningu, kjer se spremlja določeno spremenljivko v odvisnosti od časa. “To lahko pomeni, da nekdo udarja močneje, nekdo teče hitreje, nekdo nekaj dela vedno bolj natančno,” je pojasnil Kos. Trenerji bi lahko že iz razlik pri posameznih športnikih v daljšem času izvedeli marsikaj. “Recimo, da športnik začne izvajati nek gib drugače in je mogoče to vzrok, zakaj ni v formi. Koristen del sistema je tudi zaznavanje utrujenosti športnikov,” je še poudaril Kos, saj naj bi se največ poškodb zgodilo ravno, ko so športniki utrujeni in gredo preko svojih meja. “Športniki morajo do svojih meja, ne smejo pa iti čez njih. Če tega ne upoštevajo, se lahko zgodi poškodba, kar je za profesionalnega športnika najhuje.” Pri plavanju lahko na primer sistem zazna, da je bil zamah plavalca za nekaj stotink krajši, tega pa trener ne bi mogel opaziti s prostim očesom. “Če trener meri čas, bo izračunal, da je plavalec za dolžino bazena potreboval sekundo več, ne more pa s prostim očesom opazovati, kako istemu plavalcu pri vsakem naslednjem zamahu počasi peša moč.” Utrujenost lahko zazna sistem in posledično predvidi situacije, ko je posameznik bolj podvržen poškodbam. Takrat je priporočljivo, da športnik počiva ali izvaja vaje, ki vključujejo druge mišične skupine.

Kljub obetom, ki jih lahko nudi sistem, je večji problem to, da je zelo malo trenerjev, ki bi znali razbrati signale ali bi se bili o tem pripravljeni podučiti. Trener ima po navadi izkušnje iz prakse in ob predstavitvi merilnega sistema, kot je povedal Kos, postane sumničav in negotov. “Večina si misli: ‘Aha, potem pa jaz ne bom več potreben,’ kar seveda ni res, saj ima vsak športnik svoj slog, trenerji pa so tisti, ki ga bodo prepoznali.” Prihodnost uporabe sistema bi bila, če bi trener s pomočjo rezultatov športnih meritev znal svojim varovancem nuditi koristne informacije, ki bi bile nujne za uspešno izboljšavo športnika. “Trener, ki se bo pustil podučiti ali se bo podučil sam in to začel uporabljati, bo imel veliko prednost pred ostalimi trenerji. Problem pa ni samo ta. Do športnikov je zelo težko priti, v smislu, da dokler nimamo nečesa, kar bo neposredno koristilo njihovim rezultatom, trenerji ne bodo namenili časa za meritve. Tudi športniki to neradi počnejo, ker nimajo časa ali pa se bojijo, da bodo meritve pokazale slabe rezultate.”

Biološka povratna zanka je sestavljena iz senzorske naprave in hitre povezave z oblakom, kjer se podatki obdelujejo in se uporabniku (v tem primeru trenerju športnika) predstavijo na razumljiv način. Vir: Anton Kos in Anton Umek (objavljeno z dovoljenjem avtorjev)

Sistem biološke povratne zanke je smiseln tudi za rehabilitacijo, na primer ob hudi nesreči, ko se mora človek ponovno naučiti hoditi. V tem primeru ne sme priti do napačnega učenja gibov. K zdravniku pride bolnik, ki po hudi prometni nesreči še vedno šepa. Nepravilen način hoje je mnogokrat kompenzacija za izogibanje bolečinam, ki se pojavijo ob rehabilitaciji ob pravilnem izvajanju gibanja. Ker hodi na napačen način, bo takšnega bolnika tudi po upoštevanju zdravnikovega nasveta, naj vsak dan prehodi nekaj kilometrov in tako pridobi kondicijo, še vedno bolela hrbtenica. Po dveh mesecih se bo ponovno vrnil v zdravstveno ustanovo, zdaj z drugačnimi težavami. “Na rehabilitaciji bi lahko temu bolniku dali sistem, ki ga opozori: ‘Pazi, spet šepaš z desno nogo.’ Predvidevamo, da bi se ob opozorilih pri izvajanju giba bolj potrudil kot takrat, ko teh sploh ne bi bilo. Kljub bolečinam je potrebno pozabiti na nepravilno izvajanje giba in se potruditi, da hodiš vzravnano in pravilno. Hrbtenica rehabilitiranca verjetno ne bo več bolela in obisk zdravnika ne bo potreben,” je dr. Anton Kos izpostavil še primer uporabe za širšo populacijo.

David Kumer je diplomant Fakultete za elektrotehniko, ki 14. leto aktivno igra odbojko. Pri igri si je poškodoval koleno leve noge. Če bi imel tak sistem že na začetku poškodbe, bi se lahko prej vrnil na igrišče, gibanje bi bilo pravilno, bolečine pa se ne bi več pojavile. “Zagotovo bi bili podatki, ki bi jih dobil iz takšnega sistema, zelo dragoceni, saj bi prikazali realno stanje, kako se poškodovana noga uporablja pri gibanju po poškodbi. Recimo tudi sedaj, ko sem popolnoma rehabilitiran, je sistem pokazal, da pri gibanju in izvajanju določenih odbojkarskih elementov še vedno bolj uporabljam desno nogo. Kljub temu, da je od poškodbe minilo nekaj časa, moje telo podzavestno na ta način še vedno ščiti poškodovano nogo.”

Razvoj ostaja v prototipni fazi

Komercialnih produktov, kot je Elanova pametna smučka, ki jo uporabljajo za teste, še niso naredili. Produkti, ki na trgu merijo gibanje, so po besedah dr. Antona Kosa velikokrat nezanesljivi. “Komercialni produkti, ki so dostopni vsakomur, niso dovolj točni in natančni. Vedno je mogoče iz signalov nekaj izračunati. Vprašanje je samo, ali ima dobljen rezultat dovolj verno povezavo z realnostjo ali ne.” Sistemi, kot so športne ure in zapestnice, ki jih lahko kupimo, so zaprti in dajejo samo tiste informacije, za katere uporabnik plača, stopnja njihove točnosti pa ni znana, saj ne nudijo dostopa do izvornih informacij oziroma senzorskih signalov. Poleg tega noben senzor ni absolutno točen in natančen. Vsak ima svojo mersko napako. Komercialno dostopne naprave so samoumerjene in zato velikokrat nezanesljive. “Če daš samoumerjeno zapestnico na nočno omarico, se bo v tistem času lahko samoumerila, ker bo zaznala, da je pri miru. Če imaš pa zapestnico čez dan stalno na sebi, nikoli ne miruje in se praktično ne more umeriti. To pomeni, da lahko posameznikovo realno športno dejavnost na koncu dneva prikaže zelo izkrivljeno,” je pojasnil Kos in razložil, da komercialna naprava lahko kaže večjo aktivnost, kot je bila v resnici dosežena. “Imamo celo vrsto teh naprav, ki merijo različne statistike, na primer kaj si počel, kdaj si bil aktiven, kdaj nisi bil aktiven. To je dobro, saj ti dajo informacijo in spodbudo, da se bolj gibaš. Ampak tukaj se zadeva tudi zaključi. Takšne naprave niso točne, niti nimajo sposobnosti razbiranja napačnih gibov.”

Videoposnetek je objavljen z dovoljenjem podjetja Elan d. o. o.

Pametna Elanova smučka. Vir: Anton Kos in Anton Umek (objavljeno z dovoljenjem avtorja)

Raziskovalci Laboratorija za informacijske tehnologije sistema še niso preizkusili na profesionalnih športnikih, saj z razvojem še niso tako daleč. Izdelali so veliko različnih prototipov, njihov interes pa je seveda, da bi nekoč lahko iz tega nastali izdelki, ki bi pripomogli k hitrejši in boljši zaznavi pravilnega gibanja. Prednost sodelavcev Laboratorija je predvsem dejstvo, da obvladajo vse dele sistema. Senzorje in mikrokrmilniške naprave, kamor jih priključijo sicer kupijo, njihovo znanje pa vključuje vse  ̶  sestavo senzorske naprave, prenos signalov do procesorja, obdelava signalov in podajanje povratne informacije. Da se lahko zgodi napredek v znanosti, je potrebno zbrati zadostno količino podatkov, tudi s pomočjo meritev. “Najprej izvedeš meritev, potem ti mora nekdo povedati, katero gibanje je pravilno in to ni tako zelo preprosto,” je pojasnil Kos in obrazložil, da se velikokrat pojavijo rezultati, ki ne povedo tistega, kar bi si raziskovalec želel. Včasih v začetni fazi razvoja niti ni takoj znano, kaj bi bilo koristno narediti. “Ko kot raziskovalec odgovoriš na eno vprašanje, se vedno postavijo tri nova ali pa deset novih, in ko odgovoriš na te, se postavijo spet nova,” je potek raziskovanja opisal dr. Anton Kos.

Predstavitev koncepta pametne smučke Elan. Vir: Anton Kos in Anton Umek (objavljeno z dovoljenjem avtorjev)

Sistem, ki je trenutno razvit, bi se sicer lahko prilagodil praktično za vsak šport. Uspešnost prilagoditve je zelo odvisna od vrste športa in zahtevanih meritev. Veliko projektov so se v Laboratoriju lotili, ker so si študentje, ki so sami trenirali določen šport, zaželeli raziskati možnosti merjenja in izboljšav. “Naredili smo projekte pri golfu, plavanju, smučanju, športnem streljanju, odbojki, tenisu in prostem plezanju,” je športe, kjer se lahko v Sloveniji zaenkrat uporabi prototip sistema biološke povratne zanke, predstavil Kos. Pri raziskavah pogosto sodelujejo s Fakulteto za šport v Beogradu.

Športno streljanje: natančnost in točnost nista eno in isto

Za streljanje v tarčo s pištolo so med drugim naredili tudi sistem, ki meri gibanje oziroma premikanje pištole med merjenjem v tarčo. Ta podatek je namreč izredno pomemben, saj v primeru prekomernega gibanja zadetek v tarčo postane manj zanesljiv. Ugotovili so, katere napake lahko zaznajo s pomočjo sistema. “Zelo pogosta napaka je, da ob pritisku na sprožilec preveč pritisneš in se pištola zamakne desno in navzdol. Zadetek se kljub merjenju v sredino tarče pojavi precej stran od sredine,” je pojasnil Kos in pripomnil, da na tak način takoj po strelu ugotovijo, da je prišlo do napake.

Poleg sistema, ki meri gibanje roke, izdelujejo tudi sistem, ki zazna zadetek v tarčo. Tako se lahko iz doseženega rezultata razbere, ali je prišlo tudi do napake v gibanju. “Iščemo povezavo med gibanjem roke in rezultatom strela. Ugotoviti moramo, kaj vse so vzroki, da zadetek ni v sredini tarče. Pri merjenju sta potrebni točnost in natančnost, ki nista isti stvari,” je pripomnil Kos in še razložil, da se točnost pri streljanju nanaša na večkratni zadetek v določeno točko, natančnost pa pomeni, da so zadetki kjerkoli na tarči, a blizu skupaj.

Prosto plezanje: način življenja

Obstoječi raziskovalni prototipi, so po besedah plezalca Matije Volontarja, ki je v svoji magistrski nalogi na Fakulteti raziskoval sistem za merjenje sile prijema v plezanju, namenjeni laboratorijskim meritvam in je njihova prenosljivost zelo omejena. Posledično je za športnike tak sistem praktično neuporaben. Potrebno je razmisliti o sistemu, ki je prenosljiv in se ga hitro postavi oziroma namesti v plezalno okolje. V sistemu, ki ga je raziskoval v zaključni nalogi, so razvili uporaben sistem, kjer je senzor sile vgrajen v prenosljivo mehansko konstrukcijo. Z novim sistemom so želeli pridobiti podatke o stanju moči plezalca v odprtem in zaprtem prijemu. ” Pri prostem plezanju smo naredili sistem, ki meri, koliko moči ima plezalec v prstih oziroma povedano drugače, koliko sile lahko proizvede pri plezanju, da bo čim bolj uspešen,” je razložil dr. Anton Kos, ki je bil somentor te magistrske naloge. Oblikovali so merilni sistem hangON, ki meri obremenitve zgornjih okončin plezalca. “Želeli smo izmeriti, kako je med plezanjem obremenjen vsak prst roke posebej, da bi bilo jasno, kateri prst je tisti, ki je med treningom najbolj obremenjen,” je pojasnil Volontar in dodal, da je rešitev v takem primeru mobilna ali spletna aplikacija, skratka orodje, ki dela na napravah, ki jih ima nekdo doma.

Aplikacija HangON za merjenje pri plezanju. Vir: Matija Volontar, magistrska naloga (pridobljeno z dovoljenjem avtorja)

Merilni sistem, ki so ga razvili, je prenosljiv  ̶  uporablja se lahko na vseh mestih, kjer je dostop do (mobilne) internetne povezave in gladke vertikalne površine. Ta se mora nahajati približno 1,8 metra nad tlemi, kamor se pritrdi merilno napravo. Prednost sistema je, da sta lahko merjenec in upravljalec ista oseba. “Meni je bilo super, da sem lahko prvič v življenju v bistvu videl na gram natančno, koliko sile lahko proizvedem z vsakim prstom,” je ponosno priznal Volontar, ki se je v svojem delu posvetil tudi analizi utrujenosti. Izvedel je zanimivo meritev, kjer je za merjenca vzel kar sebe kot naprednega plezalca. V enem tednu je štirikrat izmeril obremenitev roke pred in po treningu. Tako je ugotovil, kako naj bi se logično razporejali počitki. “Po primerjavi meritev pred in pa po treningu je bilo očitno, da po treningu nisem mogel več proizvesti toliko sile,” je svojo ugotovitev povzel Volontar, in dodal, da meritev raziskave ne more posplošiti, saj trening ni bil konsistenten, prav tako pa je primanjkovalo sodelujočih. Ugotovil pa je, da je sila po vsakem treningu bolj padala. “Na koncu tedna se je kapaciteta mišic zmanjšala za 30 kilogramov obremenitve,” je še povedal Volontar, ki pa si je pomeril tudi vsak prst posebej in tako ugotovil, kateri prst je bil najbolj obremenjen na treningu. Podatek, ali je nekdo levičar ali desničar v njegovi raziskavi ni bil pomemben  ̶  to bi bilo pomembno izpostaviti takrat, ko bi pri vseh meril le desno roko, saj bi takrat “nekdo, ki je desničar, mogoče imel več možnosti oziroma večjo silo na desni roki, ker pa sem meril obe, pa to ni bil zelo velik faktor,” je obrazložil svojo odločitev.

Uporaba merilnega sistema pri plezanju
Uporaba merilnega sistema pri plezanju. Levo: zaprti prijem cele roke, desno: zaprti prijem sredinca. Vir: Matija Volontar, magistrska naloga. (pridobljeno z dovoljenjem avtorja)

Posredno so z izsledki raziskav magistrske naloge želeli pridobiti podatke, ki so uporabni za druge namene na tem področju, recimo za ocenjevanje napredka rehabilitacije pri poškodbi zgornjih okončin. Plezanje se od drugih športov ključno razlikuje po tem, da nihče ne uporablja naprav ali pripomočkov za vadbo, zato je bila vzpostavitev sistema za merjenje toliko bolj presenetljiva. “To je bila prva takšna naprava, ki je bila predstavljena plezalcem pri nas, vsi so bili zelo navdušeni,” je dejal Volontar, a hkrati omenil, da kljub navdušenju velikega trga za tak sistem, predvsem v Sloveniji, ni. “Po moje bi se to najbolje obneslo, če bi bil sistem postavljen v nekem plezalnem centru in bi vsak lahko meritve tudi poskusil zase,” je priznal. Tak sistem za merjenje sile prijema bi služil bolj kot zanimivost ali reklama za plezalni center, ki bi ga imel. “Plezalci zaradi mojega sistema ali pa kateregakoli drugega sistema ne bodo bolj učinkoviti. Z njim bi lahko pridobili informacije, ki bi jim koristile pri usmeritvah za boljši trening, recimo, da naprava prepozna, kateri prst je manj razvit od ostalih in lahko plezalec tako več truda pri treningu posveti razvoju mišic določenega prsta, ki je obremenitvam zaradi tega bolj izpostavljen,” je pojasnil Volontar in dodal, da rekreativni plezalci velikokrat zavračajo uporabo merilnih naprav, saj jim plezanje predstavlja bolj način življenja kot pa tekmovanje.

Kljub temu se je izkazalo, da je Volontarjev sistem hangOn boljši od edinega komercialno primerljivega sistem Entralpi, kjer je malo nerodno, da je senzor sile implementiran v ploščo, na kateri merjenec stoji med izvajanjem meritve. V primeru, da merjenec izgubi stik s ploščo, kar se zgodi, ko na izbranem oprijemalu dvigne svojo celotno težo, je meritev prekinjena in kot taka neuporabna.

Tenis: najpomembneje je spremljati gibanje

Lutz Schöffmann je diplomant Fakultete za elektrotehniko, ki v prostem času trenira tenis. V svojem diplomskem delu je razvil sistem za zaznavanje pozicije igralca v tenisu, ki zagotovi informacije o teniški igri, ki jih sicer trener praktično ne more stalno spremljati. Ko je začel razmišljati o takšnem sistemu, ni našel nobene komercialne rešitve, ki bi s pomočjo tehnologije za optično sledenje gibanja zagotavljala tudi podatke o gibanju igralca po igrišču, točki, kjer je igralec udaril žogico in pretečenih metrih. Te informacije so pri tenisu pomembne, saj kar 80 % igre predstavlja gibanje po igrišču. Na trgu lahko najdemo senzorje, ki so vgrajeni v teniški lopar, sisteme kamer za optično sledenje gibanja igralca in žogice ter senzorje, ki jih igralec namesti na lastno telo ali lopar in jih po končani vadbi enostavno odstrani. Vse omenjene spremenljivke igralcu in trenerju omogočajo podroben vpogled v igro. Pomembno pa je izpostaviti, da lahko s cenenimi senzorji gibanja pridobimo zgolj osnovne podatke o igri. Ne moremo si pomagati pri opazovanju in na podlagi izsledkov opazovanj popraviti napačno gibanje teniškega igralca ali njegovega loparja, kar je ključno za napredek športnika.

Testiranje na teniškem igrišču
Testiranje na teniškem igrišču. Vir: Lutz Schöffmann, diplomska naloga. (pridobljeno z dovoljenjem avtorja)

Schöffmann je izpostavil, da se na večjih glavnih turnirjih po koncu prenosa vedno prikazuje statistiko in njeno vizualizacijo, za kar so potrebni dragi sistemi in kamere. Če želi igralec dostopati do celotnega prikaza podatkov, je takšno procesiranje tudi zelo obsežno. Ker so ti podatki nepogrešljivi, je želel sam narediti podoben cenejši sistem. “V svojem sistemu sem zaznal stik loparja z žogico. Sledilo je združevanje vseh signalov, da sem lahko odčital lokacijo udarca na loparju. To omogoča spremljanje gibanja igralca pri tenisu, kar izredno veliko pomeni. Razberemo lahko, kje igralec stoji, če je v polju ali za osnovno črt, in tudi to, kako se postavlja glede na nasprotnika. Čisto s praktičnega vidika uporabe bi koristilo, če bi enako napravo nosil tudi tvoj nasprotnik, saj bi to omogočalo še boljše analize položaja v igri.”

Pri oblikovanju sistema je uporabil tehnologijo UWB (Ultra-Wide Band), ki je s pomočjo signalov lahko bolje zaznala lokacijo igralca kot za te sisteme značilen GPS, ki ni dober v zimskih časih, ko se igra tenisa odvija v zaprtih prostorih, kjer se položaj igralca na igrišču z GPS-om težko izmeri. “Prednost UWB je, da ga lahko uporabiš tudi v zaprtih prostorih. Mi smo pri meritvah prišli na neko povprečje 17 centimetrov odstopanja od prave lokacije. Dalo bi se narediti še bolj natančno, če bi uporabili uporabili več lokalizatorjev.” Slovenski teniški igralci sicer sistemov ne uporabljajo, uporabljajo pa podatke, ki jih sistemi na turnirjih zagotovijo oziroma dajo na prodaj.

Odbojka: obremenitve telesa večje na strani dominantne noge

David Kumer igra odbojko že več kot polovico svojega življenja. Za diplomsko nalogo je raziskoval, kako narediti brezžični senzorski sistem za zajem ter analizo skokov in udarcev pri odbojki. Naredil je sistem s senzorskimi vložki za v čevlje in senzorji gibanja, ki ga lahko uporabnik “obleče”. Sledila je izvedba več zaporednih gibov elementov odbojke, kot so na primer servis, napad in blok. Med svojo raziskavo je ugotovil, da čeprav naj bi bila porazdelitev sile dokaj enakomerna, se tehnika odbojkarskih gibov nagiba k večji uporabi enega dela telesa  ̶  odvisno od dominantne noge. Tako je bilo razvidno, da se je v 90 odstotkih meritev večji delež sile prenesel na levo nogo. “Predvsem smo se naučili, da lahko samo izpostavimo, kako se športnikovo telo obnaša med gibanjem oziroma izvajanjem določenih gibov, ne moremo pa doreči, kaj to pomeni za športnika,” je pojasnil Kumer in dodal, da lahko zahtevnejše nasvete ali diagnoze s pomočjo teh podatkov postavljajo samo ustrezni strokovnjaki.

Senzorski vložek za čevel pri odbojki
Senzorski vložek za čevelj pri odbojki. Vir: David Kumer, diplomska naloga. (pridobljeno z dovoljenjem avtorja)

S trenutnim sistemom tako ne morejo meriti, kolikšna sila in posledično teža se prenaša preko stopal na tla, saj vložek ne zajema celotne sile. “Trenutni sistem pa zelo dobro prikaže relativno razporeditev sile med štirimi glavnimi točkami na stopalu  ̶  palec, peta, desna in leva blazinica podplata,” je pojasnil Kumer in dodal, da to zagotavlja veliko uporabnih podatkov, na primer kako športnik pri določenih gibih obremenjuje določeno stopalo. “V kombinaciji s senzorji gibanja lahko natančno opredelimo točke v časovnici grafa  ̶  udarec, skok, doskok,” je še pripomnil in poudaril, da tako lahko primerjajo ponovljivost gibov z refleksnim spominom (ang. muscle memory).

Kljub uspešni analizi bi lahko sistem še izboljšali. “Med prvim testiranjem sistema smo zaznali, da bi bilo treba izboljšati način namestitve sistema na športnika in njegove uporabe,” je dodal Kumer. Trenutno sistem vsebuje veliko žičnih povezav, ki jih je potrebno zamenjati z brezžičnimi, saj žice uporabnika pri gibanju ovirajo. Sistem bi lahko izboljšali tudi z vpeljavo video zajema gibanja. “Uporabniku veliko lažje predstavimo podatke njegovega gibanja v obliki grafov, ki sicer kažejo le premike, če je zraven video, kjer mu v določeni točki na grafu lahko s pomočjo videoposnetka prikažemo tudi enako točko njegovega giba v realnosti. Dosedanja testiranja so v večini bila čim bolj realen približek dejanskim odbojkarskim gibov. Za servis in napad se je uporabljala žoga. Za blok in navpični skok pa ne. Mislim, da so podatki dokaj realni glede na fazo razvoja sistema.”

Prihodnost v luči neodvisnosti od podpore tehničnega osebja

Trenutno je večina sistemov biološke povratne zanke še v prototipni fazi, a upanje za prihodnost in nadaljnji razvoj vseeno ostaja. “Takšni relativno enostavni sistemi prinesejo nov pogled na to, kako se športnikovo telo obnaša med gibanjem, in mislim da prinese veliko dragocenih podatkov, ki se jih lahko uporabi za preprečevanje poškodb, analizo gibanja in analizo tehnike posameznih športnikov,” meni David Kumer, ki prihodnost raziskave na svojem področju vidi v “senzorski nogavici”, ki bi spremljala podatke stopala. Trenutno se pri odbojki na mivki z njegovim sistemom namreč da spremljati zgolj podatke senzorjev gibanja, ki sta nameščena na trupu in dlani, saj se v tem primeru sistem na noge še ne more pritrditi. Pri tenisu je po mnenju Lutza Schöffmanna problem pri sistemih s kamero oziroma sistemih za optično sledenje gibanja v tem, da si jih trenerji in teniški klubi zaradi visoke cene in kompleksnosti uporabe ne morejo privoščiti. Izboljšavo svojega sistema vidi v namenski aplikaciji, ki bi podatke tudi vizualno prikazala.

Kot v svoji knjigi Biomechanical Biofeedback Systems and Applications ugotavljata dr. Anton Kos in dr. Anton Umek, je predvsem pomembno, da imajo uporabniki, trenerji in medicinsko osebje koristi od biološke povratne zanke v realnem času. Pri plavanju je recimo pomembno, da je sistem oblikovan hidrodinamično in da je udoben. Izpostaviti pa je potrebno tudi pogled, da si raziskovalci prizadevajo, da bi bile v prihodnosti povratne informacije predstavljene na razumljiv način in podpora tehničnega osebja pri izvajanju meritev ne bi bila več nujna.

Napori postanejo užitki, veter in dež se spremenita v sonce, potenje, odrekanja in preizkušnje sicer še vedno ostanejo, a če je pred športnikom pot, po kateri jasno vidi cilj, je lažje. Prihodnost se nakazuje v kvantifikaciji vrhunskega športa, kjer so zahteve po primerljivosti vedno večje. Če vam je gibanje le način življenja ali užitek, pa vam lahko sistemi kot je biološka povratna zanka služijo za potešitev radovednosti ali zgolj za fascinacijo nad dejstvom, kako hiter je razvoj znanosti, ki vidi potrebe človeka in jih zna tudi uspešno rešiti.

Prispevek sva pripravili Žana Elizabeta Čeh in Kaja Ravnak.