《Applied Sciences》：Development of a Smart Shoe System Toward Evaluating Curling Skill and Ice Surface Conditions: A Sensor-Embedded Slider for Vibration-Based Characterization of Ice Surface Conditions
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在冰壶运动中，在实际比赛期间对冰面状况进行定量评估具有挑战性，现有的石块搭载传感器（sensor-on-stone）方法无法同时捕获冰面接触振动与运动员相关测量。研究人员开发了一种自包含可穿戴滑靴单元，在商用兼容冰壶滑靴中嵌入了两个惯性测量单元（IMU，LSM
在冰壶运动中，在实际比赛期间对冰面状况进行定量评估具有挑战性，现有的石块搭载传感器（sensor-on-stone）方法无法同时捕获冰面接触振动与运动员相关测量。研究人员开发了一种自包含可穿戴滑靴单元，在商用兼容冰壶滑靴中嵌入了两个惯性测量单元（IMU，LSM6DSV16X）、一个宽带加速度计（IIS3DWB）以及足底压力传感器。测量在真实冰壶馆中由两名参与者在四种冰面状况下（使用过的喷珠冰面、无喷珠冰面、特细喷珠冰面以及粗细喷珠冰面）进行。去除直流分量（DC-subtracted）的IIS3DWB Z轴振动信号的根均方（RMS）幅值能够区分无喷珠冰面与有喷珠冰面，但无法区分三种有喷珠状况之间的差异。无喷珠状况的频谱质心（spectral centroid）也偏向更高频率，尽管在有喷珠状况之间存在依赖于参与者的效应。该滑靴获取了投壶期间的足底压力变化，探索性合并分析显示出的模式与较大运动捕捉（MOCAP）衍生的横向晃动（lateral wobble）试验中存在更大的左右平衡变化相一致。由于仅测试了两名参与者且侧向压力通道达到了校准上限，参与者特异性验证需要更宽的测量范围和更多参与者。这些结果支持了在冰壶投壶期间同时进行冰面接触振动与足底压力测量的可行性。
研究背景方面，冰壶被称为“冰上的象棋”，其石块行为受冰面喷珠（pebble，即撒在冰面上的微小冰粒形成的半球形突起）状况显著影响，但冰面状况随位置和时间变化，难以在实际滑动中进行定量动态评估。现有方法存在局限：静态或事后测量方法如表面粗糙度测量、冰面形貌复制及光学轮廓仪分析、计算机视觉测摩擦系数等，难以应用于实际滑动中的动态评估；在石块手柄上附加惯性测量单元（IMU）的方法虽能区分部分冰面状况，但测量点位于机械传递路径的不同位置且无法捕获运动员自身运动特征，难以同时实现冰面评估与技能评估，也无法持续支持个体运动员训练与比赛，目前尚无方法能在实际滑动中直接同时捕获冰面与运动员的动态交互（即冰接触振动与运动员自身运动）。此外，基于振动的表面粗糙度评估和路面状况评估方法已成熟应用，但冰壶领域尚未整合振动表征与运动员运动测量。从运动测量角度，基于IMU的可穿戴系统广泛用于冬季运动，但难以直接捕获运动员与接触面的交互；冰壶投壶为单脚滑行，运动员经验认为重心行为影响投壶精度，因此除IMU姿态测量外，足底压力分布与重心移动测量对技能评估至关重要，但此前振动表征与运动员运动测量相互独立。为此，研究人员以开发竞赛支持智能鞋系统为核心目标，开发并在真实冰壶馆评估了传感器嵌入式滑靴单元，将其作为系统核心，旨在同时实现冰面状况表征与运动员技能评估。
关键技术方法方面，研究人员于2026年2月26日至27日在日本北海道北见市ARGO GRAPHICS北见冰壶馆开展实验，合作制冰师制作四种冰面状况（使用过的喷珠、无喷珠、特细喷珠、粗细喷珠），两名参与者（男性5年竞技经验，女性10年竞技经验）参与，共获取211次试验。硬件采用商用ASHAM可拆卸滑靴（聚四氟乙烯PTFE冰接触面）改装，嵌入ISP1807无线模块（nRF52840微控制器MCU）、NGK EnerCera? Pouch电池（24 mA h）、两个LSM6DSV16X IMU（分别设置不同采样率与轴向对齐）、IIS3DWB宽带加速度计（WBA，有效采样率4.2 kHz，Z轴垂直冰面）、四个Tekscan FlexiForce A301-100薄膜压力传感器（前、后、右、左位置，100 Hz）、BME280温湿压传感器（约1 Hz），所有传感器通过SPI总线连接，数据记录至microSD卡并通过BLE通信控制。软件基于Arduino框架实现固件，通过智能手机BLE指令启停测量，Python脚本将二进制数据转换为CSV并进行预处理（去直流分量、提取稳定滑行区间）。信号处理方面，计算WBA Z轴去直流根均方（RMS）幅值与Welch法功率谱密度及频谱质心，足底压力经每通道线性校准方程转换电压为载荷（0 N至10 N范围），提取稳定区间内左右载荷比的范围与四分位距（IQR），运动捕捉（Qualisys Miqus M3，100 Hz）手动同步提取鞋标记簇重心轨迹横向位移计算横向晃动得分，统计采用Cliff's δ、Bootstrap置信区间、Mann–Whitney U检验（Holm校正）、双因素固定效应线性模型与Type II方差分析。
研究结果部分，各小节结论如下：
6.1 振动波形对状况的依赖性（Vibration Waveform Condition Dependence）：WBA Z轴（iis3dwb_z）信号特征因冰面状况而异，无喷珠状况波形幅值显著更低且时域模式不同于三种有喷珠状况；有喷珠状况（使用过的、特细、粗细）幅值更大且包络水平视觉相似但细尺度时间模式不同。去直流RMS幅值无喷珠中位数为1.20 g，有喷珠为6.78 g至7.00 g，三者IQR大幅重叠；配对比较显示无喷珠与有喷珠的RMS差异显著（Cliff's δ，Holm校正后显著），有喷珠三者间比较不显著；频谱质心在合并试验水平所有六对比较显著，但参与者特异性显示有喷珠间存在参与者依赖变异（如参与者B使用过状况频谱质心偏高）。速度匹配样本（参与者A：1.9–2.2 m/s，参与者B：1.5–1.8 m/s）限于特细与粗细状况，两者RMS中位数分别为7.27 g与7.02 g（Cliff's δ置信区间含零），频谱质心中位数分别为788.6 Hz与783.0 Hz（δ置信区间接近零），无法稳健区分；无喷珠与有喷珠的大幅RMS差异不受满量程（±16 g）削波影响（无喷珠削波率中位0.025%，有喷珠7.2%–8.6%且三者相近，削波非重叠主因但低估真实RMS）；使用过状况频谱质心前后半段差异与参与者及耗时混淆，特细与粗细期间稳定；条件×参与者交互对RMS与频谱质心均显著，但无喷珠与有喷珠分离在两参与者中一致。
6.2 足底压力测量确认（Plantar Pressure Measurement Confirmation）：211次试验中109次含同步MOCAP，探索性合并分析显示更大MOCAP衍生横向晃动与更大左右平衡范围相关（r=0.41，p=0.038），但所有四个压力通道均达校准0 N至10 N电路上限，参与者A平衡范围恒定（仅两唯一值），参与者B平衡IQR恒定，无法可靠评估参与者特异性关联；需更宽测量范围与样本量。
讨论部分总结：振动特性物理诠释上，无喷珠低RMS符合喷珠突起作为滑靴底面粗糙体（asperities）引发脉冲接触力增加振动能量的解释，无喷珠光滑表面振动幅值低；无喷珠频谱质心偏高与既往石块挂载传感器研究一致但接触力学不同不可直接比较；有喷珠间RMS重叠表明仅RMS不足以区分喷珠类型，频谱质心在使用过状况存在大参与者间方差（参与者B偏高），特细与粗细在RMS与频谱质心接近，速度匹配下效应量小且置信区间含零或不远，需全条件受控速度实验；削波分析显示定性结论不变；使用过状况测量顺序首测且耗时最长，前后半段频谱质心上升与参与者身份混淆，可能为冰面霜积累渐被磨损暴露喷珠尖导致但未直接观测，建议未来记录冰面状况；线性模型显示条件×参与者交互显著但无喷珠与有喷珠分离一致。足底压力平衡验证局限在于仅两人且通道饱和，限制指标变异致无法评估试验水平协变，需更宽压力范围与硬件同步。其他局限包括参与者少（两人性别与经验不同且连续试验存疲劳学习效应）、压力通道饱和与手动同步、速度未直接控制且参与者间速度不同、条件固定顺序致耗时混淆、仅兼容ASHAM滑靴、WBA抽取前无抗混叠措施。
结论部分翻译：传感器嵌入式滑靴在真实冰壶馆中获取了冰壶投壶期间的冰面接触振动与足底压力变化，确认了商用兼容可拆卸滑靴可作为无需修改鞋体的可穿戴测量平台。两名参与者中，去直流WBA信号的RMS幅值区分了无喷珠与有喷珠冰面，但无法区分三种有喷珠状况；压力通道记录了投壶期间载荷变化，探索性合并模式提示评估侧向平衡的潜力，但现有压力测量范围与样本量无法验证与MOCAP的参与者特异性对应。这些发现支持了冰壶投壶期间同时进行冰面接触振动与足底压力测量的可行性，需更多参与者、更宽加速度计与压力传感器范围、平衡条件顺序、硬件同步与直接性能指标验证，方可将该系统用于冰面分类或投壶评估。
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