Berlatih dengan ‘Digital Twins’ Dapat Meningkatkan Kecepatan Perenang Olimpiade

Pada bulan Juli, penggemar olahraga di seluruh dunia dapat menyaksikan perenang tercepat di dunia meluncur dari blok awal ke kolam renang berukuran Olimpiade di Paris La Défense Arena di Nanterre, Prancis, pinggiran barat Paris. Bagi para atlet Olimpiade, kesempatan berkompetisi di pertandingan ini adalah mimpi yang menjadi kenyataan.

Mewujudkan impian Olimpiade membutuhkan komitmen penuh selama bertahun-tahun, dan sangat sedikit yang berhasil. Hanya 60 hingga 80 atlet terbaik Tanah Air yang akan mendapat undangan uji coba Olimpiade untuk setiap ajang renang. Dan hanya empat pemain teratas dalam tes tersebut—dua di kategori putra dan dua di kategori putri—yang akan masuk tim Olimpiade. Menambah peluang ini, balapan sering kali ditentukan hanya dalam seperseratus detik.

Bagaimana seharusnya pelatih mempersiapkan calon Olimpiade? Haruskah mereka menginstruksikan atletnya berenang seperti Katie Ledecky dan Michael Phelps, dengan impian mengulangi kesuksesan mereka? Tentu saja tidak. Atlet datang dalam berbagai bentuk dan ukuran serta memiliki kekuatan dan kelemahan yang berbeda. Masalah Olympian tidak seperti gerakan perbaikan rumah yang dilakukan sendiri, di mana pencarian sederhana di Internet akan mengungkapkan satu jawaban yang benar.

Tentang mendukung jurnalisme sains

Jika Anda menikmati artikel ini, pertimbangkan untuk mendukung jurnalisme pemenang penghargaan kami langganan. Dengan membeli langganan, Anda membantu memastikan masa depan cerita yang berdampak tentang penemuan dan ide yang membentuk dunia kita saat ini.

Matematika, fisika, dan teknologi justru telah merevolusi renang. Idenya adalah bahwa hal-hal kecil dari biomekanik dan hidrodinamika adalah variabel dalam masalah fisika dan matematika yang kompleks. Dengan mengoptimalkan “variabel” ini, perenang dapat mencapai kesempurnaan. Saat ini munculnya teknologi sensor telah mengubah ide tersebut menjadi kenyataan dimana matematika dan fisika menghasilkan informasi yang berguna sehingga para pelatih dapat “melatih secara presisi” para calon olimpiade 2024. Hasilnya sangat sukses.

Tim renang

Sifat universal hukum gerak Newton tidak hanya mengatur tata surya kita tetapi juga pergerakan kecil seorang perenang. Ketika seorang perenang melompat ke dalam kolam dan mulai bergetar untuk mendorong dirinya ke depan, hukum Newton mengatur hubungan antara gaya pendorong yang dihasilkan dan percepatan yang dihasilkan tubuh perenang.

Misalnya, pada final gaya bebas 50 meter Olimpiade, delapan atlet memukul anggota tubuh mereka dengan tujuan menyelesaikan satu putaran renang terlebih dahulu. Daripada kompetisi antar atlet, perlombaan adalah pertarungan individu setiap perenang melawan fisika inersia (dijelaskan dalam hukum pertama Newton) dan gaya tarik (dijelaskan dalam hukum kedua Newton), dan mereka harus menciptakan gaya yang menggerakkan tubuhnya hingga finis ( hukum hukum ketiga Newton) dengan harapan mendapat medali emas.

Pelatihan Kembar Digital

Olimpiade Musim Panas ini akan menjadi pertama kalinya sembilan perenang elit dipandu oleh kembaran digital mereka. Sejak tahun 2015, tim peneliti di Universitas Emory dan Universitas Virginia, yang dipimpin oleh salah satu dari kami (Ono), telah membekali para perenang dengan alat yang disebut satuan pengukuran inersia untuk mencatat percepatan, orientasi, dan kekuatan tubuh. Berbeda dengan video digital biasa yang merekam 24 frame per detik, sensor ini menangkap informasi 512 kali per detik.

Saat perenang menjalani serangkaian tes dengan menggunakan sensor ini di pergelangan tangan, pergelangan kaki, atau punggung mereka, data menunjukkan dampak terhadap akselerasi mereka dari setiap putaran, cipratan, tarikan, dan tendangan.

Kami baru-baru ini mulai menggunakan sensor canggih yang mengukur gaya yang dihasilkan oleh tangan seorang atlet. Strip berteknologi tinggi ini mengukur perbedaan tekanan antara telapak tangan dan sisi tangan, sehingga menunjukkan arah gaya. Apa yang sebelumnya dievaluasi hanya dengan melihat perenang di dalam air kini dapat disaring menjadi serangkaian bagan dan grafik yang menunjukkan distribusi gaya dalam segala arah maju, menyamping, dan atas dan bawah. Gaya yang diterapkan ke segala arah selain ke depan adalah gaya yang sia-sia.

Kami menggunakan aliran angka ini untuk membuat kembaran digital seorang atlet, yang mencatat pergerakan mereka hingga milidetik. Kami sekarang telah mengumpulkan database besar digital twins dari lebih dari 100 perenang terbaik AS.

Dengan kembaran digital tersebut, kami dapat membuat rekomendasi untuk segera meningkatkan teknik, menawarkan saran untuk strategi balapan, dan menunjukkan tujuan aspirasional jangka panjang—semuanya demi mencapai rencana balapan yang optimal.

Secara teknis, kita bisa mengidentifikasi secara digital perbandingan kekuatan dan kelemahan atlet tanpa harus bertanding secara langsung. Jika kami menemukan kesalahan teknis, pelatih dapat segera menawarkan pelatihan presisi untuk memperbaikinya. Kembaran digital juga mengukur tingkat keparahan disabilitas. Dan berkat persamaan Newton dan data akselerasi, kami dapat secara akurat memprediksi penghematan waktu yang diharapkan seorang atlet dengan perubahan tertentu. Ini bermuara pada integrasi numerik dari data percepatan karena nilai-nilai ini adalah bagian dari perhitungan kecepatan. Terima kasih, Newton dan kalkulus Anda!

Kerugiannya antara lain posisi kepala yang buruk, kaki yang terlalu rendah (yang dapat menimbulkan efek penahan dan perlambatan), putaran tubuh yang tidak seimbang, dan pernapasan yang tidak efisien. Perhatikan penerapan koordinasi pada gaya dada, yaitu fase meluncur di bawah air. Tujuannya adalah untuk mempertahankan kecepatan sebanyak mungkin sejak penyelaman pembuka dan setelah mendorong dengan kuat ke dinding di sudut keluar. Anda mungkin berpikir hanya ada sedikit peluang untuk perbaikan pada fase gaya dada ini karena perenang tampaknya tidak melakukan apa pun. Namun, balapan bisa dimenangkan atau dikalahkan, dan rekor pun tercipta, selama luncuran yang tampaknya tidak berbahaya ini.

Pada bulan November 2020 kami menciptakan kembaran digital salah satu dari kami (Douglass), yang saat itu adalah perenang perguruan tinggi. Meskipun gaya dada 200 meter tidak ada dalam daftar perlombaan Douglass karena waktunya, dalam beberapa jam setelah menyusun kembaran digitalnya, kami tahu bahwa dia memiliki kemampuan fisik dan kapasitas aerobik untuk bersaing di tingkat kejuaraan dunia. Kami menjalankan simulasi dan kemudian membuat daftar target peluang jika dia memilih untuk mengikuti gaya dada.

Posisi kepala adalah kunci kesuksesan. Masukkan peraih medali emas Olimpiade 2016 Lilly King (panel atas pada gambar di atas) untuk perbandingan. Karena kepala Douglass dimiringkan dari bidang tubuhnya (panel bawah), Anda dapat melihat bagaimana hal itu akan menimbulkan turbulensi dan hambatan tambahan. Kembaran digitalnya memungkinkan kita mengukur signifikansi cacat ini. Dengan menggunakan persamaan matematika yang timbul dari hukum gerak Newton, kami memperkirakan bahwa ia akan memperoleh waktu 0,1 hingga 0,15 detik per slide garis dengan menyesuaikan posisi kepalanya. Pada gaya dada 200 meter, seorang atlet melakukan empat kali luncuran garis ini, sehingga kami memperkirakan rekomendasi ini dapat menghemat 0,4 hingga 0,6 detik.

Setelah tiga tahun bekerja, peningkatan teknik Douglass memotong 0,44 detik dari waktu gaya dada 200 meternya. Beberapa bulan kemudian, pada tahun 2023, ia memecahkan rekor Amerika di ajang tersebut dengan catatan waktu dua menit, 19,3 detik, turun di bawah rekor sebelumnya pada tahun 2012 dengan selisih 0,29 detik.

Kembar digital juga berperan penting dalam merumuskan strategi perlombaan. Analisis kembar dapat menghasilkan perubahan tempo yang disarankan, waktu gerakan tubuh, jumlah tendangan yang dilakukan dalam berbagai fase, dan pola pernapasan yang disarankan. Haruskah seorang atlet bernapas pada kedua sisi dalam gaya bebas? Berapa banyak napas yang harus diambil dalam lari cepat 100 meter?

Dengan bereksperimen secara virtual dengan doppelgänger digital seorang atlet, kita dapat dengan mudah menjalankan berbagai skenario perlombaan untuk menentukan rencana perlombaan optimal perenang, “formula” mereka untuk sukses.

Tidak ada dua rumus yang sama. Saat mencoba meningkatkan strategi untuk dua atlet gaya dada elit, kami membandingkan akselerasi kembaran digital mereka selama fase pertama “penarikan”, yang terjadi di bawah air dan terdiri dari dorongan kuat dari dinding diikuti dengan perosotan garis dan, akhirnya , tendangan lumba-lumba. Kami membuat grafik percepatan menuju renang dan menemukan bahwa perenang “oranye” pada grafik di bawah memiliki garis yang luar biasa, hampir tanpa perlambatan. Perenang oranye juga memiliki tendangan lumba-lumba yang lebih lemah, yang dilakukannya hampir satu detik lebih awal dibandingkan perenang lainnya. Dari segi strategi, perenang oranye mungkin mempertimbangkan untuk menunda tendangan lumba-lumba karena garis apungnya yang unggul dan tendangannya yang lemah. Sementara itu, perenang biru melambat secara signifikan dalam luncurannya namun menunjukkan tendangan yang kuat. Pengasuh dada mungkin ingin menendang lebih awal untuk mengurangi posisi terendah selama perosotannya. Dengan menjalankan simulasi yang berbeda, kami mengonfirmasi spekulasi ini, mengetahui waktu optimal untuk setiap fase pukulan, dan memperkirakan perkiraan penghematan waktu untuk sepatu bot. Mengapa menebak?

Terakhir, pendekatan kuantitatif terhadap analisis renang ini dapat membantu merumuskan tujuan aspirasional yang dapat menjadi kenyataan setelah berbulan-bulan atau bertahun-tahun menjalani pelatihan ekstensif. Beberapa simulasi yang diinginkan tidak realistis mengingat kapasitas aerobik seorang atlet saat ini. Lagi pula, si kembar digital tidak merasakan nyeri otot yang terbakar dan paru-paru yang kekurangan oksigen. Salah satu tujuannya mungkin adalah penambahan tendangan lumba-lumba pada gaya kupu-kupu 100 meter, sesuatu yang memerlukan lebih banyak konsumsi oksigen namun dapat memangkas waktu 0,1 detik bagi seorang perenang. Seorang pelatih mungkin dapat membantu seorang atlet meningkatkan kapasitas aerobiknya dengan mengubah simulasi yang tidak realistis menjadi strategi balap otentik di tingkat kompetisi tertinggi.

Kembalinya Olimpiade ke Paris setelah jeda selama 100 tahun menawarkan kesempatan elegan untuk merefleksikan pilar utama Olimpiade—persembahan tradisi yang konsisten kepada dunia yang terus berubah. Selama kompetisi, Sungai Seine akan tetap mengalir, dan Menara Eiffel masih akan menyelenggarakan banyak acara yang sama seperti yang terjadi pada abad lalu. Namun, di antara landmark abadi ini adalah kota dan permainan yang telah diubah oleh era modern, penuh dengan ilmu pengetahuan, elektronik, dan pasokan sumber daya yang melimpah. Lompatan teknologi ini akan menghasilkan lompatan performa yang sama spektakulernya, dengan pencapaian atletik yang tidak terbayangkan 100 tahun lalu. Para atlet ini, dipersenjatai dengan data, teknik pelatihan yang disempurnakan, dan analisis yang kompleks, menunjukkan keindahan permainan sebagai pendorong dan menunjukkan apa yang dapat dicapai oleh manusia dan teknologi, yang mendefinisikan ulang batas normal kita.

Jutaan orang akan menyaksikan acara renang yang berlangsung di La Défense Arena Paris. Banyak perenang Amerika akan membuat sejarah Olimpiade dengan medali dan rekor, dan bagi sebagian orang, doppelgänger digital mereka akan disembunyikan di komputer—tidak terlihat tetapi juga menjadi bagian dari tim.