Биомеханика в кроссовках: как измерить технику бега и прыжков без оборудования

В спорте мелочей нет: несимметричная нагрузка, неверный угол приземления, смещенный центр тяжести — и вы теряете драгоценные секунды или, и того хуже, получаете травму. Чтобы отследить такие нюансы, раньше требовалось лабораторное оборудование для анализа реактивных сил опоры. Но инженеры из Университета Портсмута и компании TG0 нашли более простой и доступный способ. Они создали «умные» стельки с сенсорами, которые работают в сочетании с нейросетью и с точностью до 95% предсказывают нагрузку на стопу. Это один из самых точных носимых трекеров движения на сегодняшний день.

Как проводилось исследование

Прототип TG0 Smart Insole оснащен двумя типами сенсоров: датчиками давления CapSense и инерциальными измерительными модулями (IMU), фиксирующими ускорения и углы поворота стопы. Собранные данные передаются по Bluetooth на компьютер и записываются в формате CSV — с временной разметкой. Работа устройства автономна: встроенный аккумулятор дает до восьми часов непрерывного сбора данных.

Собственные алгоритмы на основе механизма перекрестного внимания (cross-attention) обучались на движениях пяти здоровых добровольцев, выполнявших серию упражнений — бег, прыжки, приседания и другие. Движения синхронизировались с показаниями лабораторной силовой платформы, что позволило проверить точность модели. Обработка данных включала масштабирование значений, нормализацию по массе тела и фильтрацию шума.

Что показали результаты

Несмотря на простую конструкцию, система показала точность, сравнимую с лабораторными инструментами, — и даже превзошла аналогичные носимые решения.

• Средняя ошибка предсказания составила 4,16%, в то время как у предыдущих моделей она варьировалась от 8% до 20%.
• Модель адаптировалась к типу движения: в статике большее значение имели сенсоры давления, в динамике — IMU.
• Даже без этапа предобучения и усложнения архитектуры нейросеть работала стабильно.
• Отключение одной из осей гироскопа улучшило итоговые результаты — ее данные снижали точность.

Такая система дает возможность отслеживать ключевые параметры движения за пределами лабораторий. Это может быть полезно в профессиональном и любительском спорте для оценки техники, профилактики травм и персонализации тренировок. Кроме того, стельки уже рассматриваются как решение для медицины: они могут помочь следить за состоянием пациентов после травм или операций, а также использоваться в диагностике диабетической стопы — состояния, при котором нарушается чувствительность в ногах, повышается риск микротравм, а при отсутствии наблюдения возможны серьезные осложнения.