.jpg/1280px-Giovanni_Borelli_-_lim_joints_(De_Motu_Animalium).jpg)
Биомеханика — это изучение структуры, функций и движения механических аспектов биологических систем на любом уровне, от целых организмов до органов , клеток и клеточных органелл , [1] с использованием методов механики . [2] Биомеханика — раздел биофизики .
В 2022 году вычислительная механика выходит далеко за рамки чистой механики и включает в себя другие физические действия: химию, тепло- и массоперенос, электрические и магнитные воздействия и многие другие.
Слово «биомеханика» (1899 г.) и родственное ему слово «биомеханика» (1856 г.) происходят от древнегреческого βίος bios « жизнь» и μηχανική, mechanike «механика», обозначая изучение механических принципов живых организмов, особенно их движение и структура. [3]
Механика биологической жидкости, или механика биожидкости, представляет собой изучение потоков газа и жидкости внутри биологических организмов или вокруг них. Часто изучаемой проблемой жидких биожидкостей является проблема кровотока в сердечно-сосудистой системе человека. При определенных математических обстоятельствах кровоток можно смоделировать уравнениями Навье-Стокса . Предполагается, что in vivo цельная кровь представляет собой несжимаемую ньютоновскую жидкость . Однако это предположение не работает при рассмотрении прямого кровотока внутри артериол . В микроскопическом масштабе влияние отдельных эритроцитов становится значительным, и цельную кровь больше нельзя моделировать как континуум. Когда диаметр кровеносного сосуда лишь немного больше диаметра эритроцита, возникает эффект Фареуса-Линдквиста и происходит уменьшение напряжения сдвига стенки . Однако по мере дальнейшего уменьшения диаметра кровеносного сосуда эритроцитам приходится протискиваться через сосуд, и часто они могут проходить только по одному. В этом случае возникает обратный эффект Фареуса–Линдквиста и напряжение сдвига стенки увеличивается.
Примером проблемы газообразных биожидкостей является дыхание человека. Недавно дыхательные системы насекомых изучались с целью биоинспирации для разработки улучшенных микрофлюидных устройств. [4]
Биотрибология — это изучение трения , износа и смазки биологических систем, особенно суставов человека, таких как бедра и колени. [5] [6] В целом эти процессы изучаются в контексте контактной механики и трибологии .
Дополнительные аспекты биотрибологии включают анализ подповерхностных повреждений, возникающих в результате соприкосновения двух поверхностей во время движения, то есть трения друг о друга, например, при оценке тканеинженерного хряща. [7]
Сравнительная биомеханика — это применение биомеханики к организмам, отличным от человека, независимо от того, используется ли она для лучшего понимания людей (как в физической антропологии ) или функций, экологии и адаптации самих организмов. Обычными областями исследований являются передвижение и кормление животных, поскольку они тесно связаны с приспособленностью организма и предъявляют высокие механические требования. Передвижение животных имеет множество проявлений, включая бег , прыжки и полет . Для передвижения требуется энергия для преодоления трения , сопротивления , инерции и гравитации , хотя какой из факторов преобладает, зависит от окружающей среды. [ нужна цитата ]
Сравнительная биомеханика сильно пересекается со многими другими областями, включая экологию , нейробиологию , биологию развития , этологию и палеонтологию , вплоть до частой публикации статей в журналах по этим другим областям. Сравнительная биомеханика часто применяется в медицине (в отношении обычных модельных организмов, таких как мыши и крысы), а также в биомиметике , которая ищет в природе решения инженерных проблем. [ нужна цитата ]
Вычислительная биомеханика — это применение инженерных вычислительных инструментов, таких как метод конечных элементов, для изучения механики биологических систем. Вычислительные модели и моделирование используются для прогнозирования взаимосвязи между параметрами, которые в противном случае сложно проверить экспериментально, или используются для разработки более релевантных экспериментов, сокращающих время и стоимость экспериментов. Механическое моделирование с использованием анализа методом конечных элементов использовалось, например, для интерпретации экспериментальных наблюдений за ростом растительных клеток, чтобы понять, как они дифференцируются. [8] В медицине за последнее десятилетие метод конечных элементов стал признанной альтернативой хирургической оценке in vivo . Одно из основных преимуществ вычислительной биомеханики заключается в ее способности определять эндоанатомическую реакцию анатомии, не подвергаясь этическим ограничениям. [9] Это привело к тому, что моделирование методом конечных элементов (или другие методы дискретизации) стало повсеместным в нескольких областях биомеханики, в то время как некоторые проекты даже приняли философию открытого исходного кода (например, BioSpine) [10] и SOniCS, а также SOFA. , фреймворки FEniCS и FEBio.
Вычислительная биомеханика является важным компонентом хирургического моделирования, которое используется для хирургического планирования, помощи и обучения. В этом случае численные (дискретизационные) методы используются для максимально быстрого расчета реакции системы на граничные условия, такие как силы, тепло- и массоперенос, электрические и магнитные воздействия.
Механический анализ биоматериалов и биожидкостей обычно проводится с использованием концепций механики сплошной среды . Это предположение нарушается, когда интересующие масштабы длины приближаются к порядку микроструктурных деталей материала. Одной из наиболее примечательных характеристик биоматериалов является их иерархическая структура. Другими словами, механические характеристики этих материалов зависят от физических явлений, происходящих на нескольких уровнях: от молекулярного до уровня тканей и органов . [ нужна цитата ]
Биоматериалы делятся на две группы: твердые и мягкие ткани . Механическую деформацию твердых тканей (таких как дерево , панцирь и кость ) можно проанализировать с помощью теории линейной упругости . С другой стороны, мягкие ткани (такие как кожа , сухожилия , мышцы и хрящи ) обычно подвергаются большим деформациям, и поэтому их анализ основан на теории конечной деформации и компьютерном моделировании . Интерес к биомеханике континуума стимулируется необходимостью реализма в разработке медицинского моделирования. [11] : 568
Нейромеханика использует биомеханический подход, чтобы лучше понять, как мозг и нервная система взаимодействуют, управляя телом. Во время двигательных задач двигательные единицы активируют набор мышц для выполнения определенного движения, которое можно изменить посредством двигательной адаптации и обучения. В последние годы нейромеханические эксперименты стали возможными благодаря сочетанию инструментов захвата движения с нейронными записями.
Применение принципов биомеханики к растениям, органам и клеткам растений превратилось в область биомеханики растений. [12] Применение биомеханики для растений варьируется от изучения устойчивости сельскохозяйственных культур к стрессу окружающей среды [13] до развития и морфогенеза на клеточном и тканевом уровне, что пересекается с механобиологией . [8]
В спортивной биомеханике законы механики применяются к движениям человека, чтобы лучше понять спортивные результаты, а также уменьшить спортивные травматизм . Основное внимание уделяется применению научных принципов механической физики для понимания движений человеческого тела и спортивных снарядов, таких как крикетная бита, хоккейная клюшка, копье и т. д. Элементы машиностроения ( например, тензодатчики ), электротехники (например, цифровая фильтрация ), информатика (например, численные методы ), анализ походки (например, силовые платформы ) и клиническая нейрофизиология (например, поверхностная ЭМГ ) — распространенные методы, используемые в спортивной биомеханике. [14]
Биомеханику в спорте можно определить как мышечные, суставные и скелетные действия тела во время выполнения заданной задачи, навыка и/или техники. Правильное понимание биомеханики, связанной со спортивными навыками, имеет огромное значение для спортивных результатов, реабилитации и предотвращения травм, а также для спортивного мастерства. Как заметил доктор Майкл Йессис, можно сказать, что лучший спортсмен — это тот, кто лучше всего реализует свои навыки. [15]
Основной темой сосудистой биомеханики является описание механического поведения сосудистых тканей.
Хорошо известно, что сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смертности во всем мире. [16] Сосудистая система в организме человека является основным компонентом, который должен поддерживать давление и обеспечивать кровоток и химический обмен. Изучение механических свойств этой сложной ткани расширяет возможности лучшего понимания сердечно-сосудистых заболеваний и радикального улучшения персонализированной медицины.
Сосудистые ткани неоднородны и имеют сильно нелинейное поведение. Обычно это исследование включает в себя сложную геометрию со сложными условиями нагрузки и свойствами материала. Правильное описание этих механизмов основано на изучении физиологии и биологического взаимодействия. Поэтому необходимо изучение механики стенок и гемодинамики с их взаимодействием.
Необходимо также исходить из того, что сосудистая стенка представляет собой динамическую структуру, находящуюся в непрерывной эволюции. Эта эволюция напрямую следует за химической и механической средой, в которую погружены ткани, например, за напряжением сдвига стенок или биохимическими сигналами.
Аристотеля, ученика Платона, можно считать первым биомехаником из-за его работ по анатомии животных. Аристотель написал первую книгу о движении животных — De Motu Animalium , или «О движении животных» . [17] Он рассматривал тела животных как механические системы и занимался такими вопросами, как физиологическая разница между воображением выполнения действия и реальным выполнением действия. [18] В другой работе, « О частях животных» , он дал точное описание того, как мочеточник использует перистальтику для переноса мочи из почек в мочевой пузырь . [11] : 2
С возникновением Римской империи технология стала более популярной, чем философия, и возникла следующая биомеханика. Гален (129–210 гг.), врач Марка Аврелия , написал свой знаменитый труд «О функции частей» (о человеческом теле). Это будет стандартная медицинская книга в мире на следующие 1400 лет. [19]
Следующий крупный биомеханик появится только в 1490-х годах, когда Леонардо да Винчи начал изучать анатомию и биомеханику человека . Он прекрасно разбирался в науке и механике и изучал анатомию в контексте механики. Он анализировал мышечные силы и движения и изучал функции суставов. Эти исследования можно считать исследованиями в области биомеханики. Леонардо да Винчи изучал анатомию в контексте механики. Он проанализировал мышечные силы, действующие по линиям, соединяющим начала и место прикрепления, и изучил функцию суставов. Да Винчи также известен тем, что имитирует некоторые черты животных в своих машинах. Например, он изучал полет птиц, чтобы найти способы, с помощью которых люди могли бы летать; и поскольку в то время лошади были основным источником механической энергии, он изучал их мышечную систему, чтобы сконструировать машины, которые могли бы лучше использовать силы, прилагаемые этим животным. [20]
В 1543 году работа Галена «О функции частей» была оспорена Андреасом Везалием в возрасте 29 лет. Везалий опубликовал свою собственную работу под названием «О строении человеческого тела». В этой работе Везалий исправил многие ошибки Галена, которые не были приняты во всем мире в течение многих столетий. Со смертью Коперника появилось новое желание понять и познать мир вокруг людей и то, как он устроен. На смертном одре он опубликовал свою работу «О вращениях небесных сфер». Эта работа произвела революцию не только в науке и физике, но и в развитии механики, а затем и биомеханики. [19]
Галилео Галилей , отец механики и по совместительству биомеханик, родился через 21 год после смерти Коперника . За годы своей научной деятельности Галилей сделал известным множество биомеханических аспектов. Например, он обнаружил, что «масса животных увеличивается непропорционально их размеру, и, следовательно, их кости также должны непропорционально увеличиваться в обхвате, адаптируясь к нагрузке, а не просто к размеру. Прочность на изгиб трубчатой структуры, такой как кость, увеличивается по сравнению с его вес, сделав его полым и увеличив диаметр. Морские животные могут быть крупнее наземных животных, потому что плавучесть воды уменьшает вес их тканей». [19]
Галилео Галилей интересовался прочностью костей и предположил, что кости полые, потому что это обеспечивает максимальную прочность при минимальном весе. Он отметил, что костная масса животных увеличивалась непропорционально их размеру. Следовательно, кости также должны непропорционально увеличиваться в обхвате, а не просто в размере. Это связано с тем, что прочность на изгиб трубчатой структуры (например, кости) гораздо более эффективна по сравнению с ее весом. Мейсон предполагает, что это открытие было одним из первых пониманий принципов биологической оптимизации . [20]
В 17 веке Декарт предложил философскую систему, согласно которой все живые системы, включая человеческое тело (но не душу), представляют собой просто машины, управляемые одними и теми же механическими законами, — идея, которая во многом способствовала развитию и поддержанию биомеханических исследований.
Следующий крупный биомеханик, Джованни Альфонсо Борелли , принял механическую философию Декарта и изучал ходьбу, бег, прыжки, полет птиц, плавание рыб и даже поршневое действие сердца в механических рамках. Он смог определить положение центра тяжести человека , рассчитать и измерить объемы вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, а также показал, что вдох осуществляется мышцами, а выдох — за счет эластичности тканей.
Борелли был первым, кто понял, что «рычаги мышечной системы увеличивают движение, а не силу, поэтому мышцы должны создавать гораздо большую силу, чем те, которые сопротивляются движению». [19] Под влиянием работ Галилея, которого он знал лично, он имел интуитивное понимание статического равновесия в различных суставах человеческого тела задолго до того, как Ньютон опубликовал законы движения. [21] Его работу часто считают самой важной в истории биомеханики, поскольку он сделал так много новых открытий, которые открыли путь будущим поколениям для продолжения его работы и исследований.
Прошло много лет после Борелли, прежде чем в области биомеханики произошел какой-либо серьезный прорыв. С тех пор все больше и больше ученых начали изучать человеческое тело и его функции. В биомеханике не так уж много выдающихся ученых 19-го или 20-го века, потому что эта область сейчас слишком обширна, чтобы приписать что-то одному одному человеку. Тем не менее, эта область продолжает расти с каждым годом и продолжает добиваться успехов в изучении человеческого тела. Поскольку эта область стала настолько популярной, за последнее столетие открылось множество учреждений и лабораторий, и люди продолжают проводить исследования. С созданием Американского общества биомеханики в 1977 году эта область продолжает расти и делать много новых открытий. [19]
В XIX веке Этьен-Жюль Марей использовал кинематографию для научного исследования передвижения . Он открыл область современного «анализа движения», первым связав силы реакции земли с движением. В Германии братья Эрнст Генрих Вебер и Вильгельм Эдуард Вебер выдвинули много гипотез о человеческой походке, но именно Кристиан Вильгельм Браун значительно продвинул науку, используя последние достижения в области инженерной механики. В этот же период во Франции и Германии в условиях промышленной революции начал процветать инженерная механика материалов . Это привело к возрождению биомеханики костей, когда инженер путей сообщения Карл Кульманн и анатом Герман фон Мейер сравнили структуру напряжений в бедренной кости человека с таковой в кране аналогичной формы. Вдохновленный этим открытием, Юлиус Вольф предложил знаменитый закон Вольфа ремоделирования кости . [22]
Изучение биомеханики варьируется от внутренней работы клетки до движения и развития конечностей , механических свойств мягких тканей [7] и костей . Некоторые простые примеры биомеханических исследований включают исследование сил, действующих на конечности, аэродинамику полета птиц и насекомых , гидродинамику плавания рыб и передвижение в целом во всех формах жизни, от отдельных клеток до целых организмов . Растущее понимание физиологического поведения живых тканей позволяет исследователям продвигаться вперед в области тканевой инженерии , а также разрабатывать улучшенные методы лечения широкого спектра патологий, включая рак. [23] [ нужна ссылка ]
Биомеханика применяется также для изучения опорно-двигательного аппарата человека. В таких исследованиях используются силовые платформы для изучения сил реакции земли человека и инфракрасная видеосъемка для захвата траекторий маркеров, прикрепленных к человеческому телу, для изучения трехмерных движений человека. Исследования также применяют электромиографию для изучения активации мышц, изучения реакции мышц на внешние силы и возмущения. [24]
Биомеханика широко используется в ортопедической промышленности для создания ортопедических имплантатов для суставов человека, деталей зубов, аппаратов внешней фиксации и других медицинских целей. Биотрибология является очень важной ее частью. Это исследование характеристик и функций биоматериалов, используемых для ортопедических имплантатов. Он играет жизненно важную роль в улучшении конструкции и производстве успешных биоматериалов для медицинских и клинических целей. Одним из таких примеров является тканеинженерный хрящ. [7] Динамическая нагрузка на суставы, рассматриваемая как удар, подробно обсуждается Эмануэлем Виллертом. [25]
Он также связан с областью инженерии , поскольку часто использует традиционные инженерные науки для анализа биологических систем . Некоторые простые приложения ньютоновской механики и/или материаловедения могут дать правильные аппроксимации механики многих биологических систем . Прикладная механика, в первую очередь дисциплины машиностроения, такие как механика сплошных сред , анализ механизмов , структурный анализ, кинематика и динамика , играют важную роль в изучении биомеханики. [26]
Обычно биологические системы намного сложнее, чем системы, созданные человеком. Таким образом, численные методы применяются почти в каждом биомеханическом исследовании. Исследования проводятся в рамках итеративного процесса выдвижения гипотез и их проверки, включая несколько этапов моделирования , компьютерного моделирования и экспериментальных измерений .
СМИ, связанные с биомеханикой, на Викискладе?