.jpg/1280px-Giovanni_Borelli_-_lim_joints_(De_Motu_Animalium).jpg)
Биомеханика — это изучение структуры, функции 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 — это раздел биофизики .
Сегодня вычислительная механика выходит далеко за рамки чистой механики и включает в себя другие физические действия: химию, тепло- и массоперенос, электрические и магнитные воздействия и многое другое.
Слово «биомеханика» (1899) и родственное ему «биомеханический» (1856) происходят от древнегреческих βίος bios «жизнь» и μηχανική, mēchanikē «механика», и обозначают изучение механических принципов живых организмов, в частности их движения и структуры. [3]
Биологическая механика жидкости, или механика биожидкости, является изучением потоков газа и жидкости внутри или вокруг биологических организмов. Часто изучаемой проблемой жидкой биожидкости является поток крови в сердечно-сосудистой системе человека. При определенных математических обстоятельствах поток крови можно моделировать с помощью уравнений Навье-Стокса . Предполагается, что in vivo цельная кровь является несжимаемой ньютоновской жидкостью . Однако это предположение не выполняется при рассмотрении прямого потока внутри артериол . В микроскопическом масштабе эффекты отдельных эритроцитов становятся значительными, и цельную кровь больше нельзя моделировать как сплошную среду. 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 эритроциты должны протискиваться через сосуд и часто могут проходить только по одному. В этом случае возникает обратный эффект Фареуса-Линдквиста и напряжение сдвига на стенке увеличивается.
Примером проблемы газообразных биожидкостей является проблема человеческого дыхания. Недавно дыхательные системы насекомых изучались с целью биовдохновения для проектирования 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, т. е. трения друг о друга, например, при оценке хрящевой ткани, созданной с помощью тканевой инженерии. [7]
Сравнительная биомеханика — это применение биомеханики к нечеловеческим организмам, будь то для получения более глубокого понимания людей (как в физической антропологии ) или функций, экологии и адаптации самих организмов. Распространенными областями исследований являются передвижение и питание животных , поскольку они тесно связаны с приспособленностью организма и предъявляют высокие механические требования. Передвижение животных имеет множество проявлений, включая бег , прыжки и полет . Передвижение требует энергии для преодоления трения , сопротивления , инерции и гравитации , хотя преобладающий фактор зависит от окружающей среды. [ необходима ссылка ]
Сравнительная биомеханика тесно переплетается со многими другими областями, включая экологию , нейробиологию , биологию развития , этологию и палеонтологию , в той степени, что статьи часто публикуются в журналах этих других областей. Сравнительная биомеханика часто применяется в медицине (в отношении обычных модельных организмов, таких как мыши и крысы), а также в биомиметике , которая ищет решения инженерных проблем в природе. [ требуется ссылка ]
Вычислительная биомеханика — это применение инженерных вычислительных инструментов, таких как метод конечных элементов , для изучения механики биологических систем. Вычислительные модели и симуляции используются для прогнозирования взаимосвязи между параметрами, которые в противном случае было бы сложно проверить экспериментально, или используются для разработки более релевантных экспериментов, сокращающих время и стоимость экспериментов. Механическое моделирование с использованием анализа конечных элементов использовалось для интерпретации экспериментального наблюдения за ростом растительных клеток, чтобы понять, как они дифференцируются, например. [8] В медицине за последнее десятилетие метод конечных элементов стал устоявшейся альтернативой хирургической оценке in vivo . Одно из главных 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, а некоторые проекты даже приняли философию открытого исходного кода (например, BioSpine) [10] и SOniCS, а также фреймворки SOFA, 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 вычисления реакции системы на граничные условия, такие как силы, тепло- и массоперенос, а также электрические и магнитные стимулы.
Механический анализ биоматериалов и биожидкостей обычно выполняется с использованием концепций механики сплошных сред . Это предположение рушится, когда интересующие нас масштабы длины приближаются к порядку микроструктурных деталей материала. Одной из самых замечательных характеристик биоматериалов является их иерархическая структура. Другими словами, механические характеристики этих материалов основаны на физических явлениях, происходящих на нескольких уровнях, от молекулярного до уровня тканей и органов . [ необходима цитата ]
Биоматериалы подразделяются на две группы: твердые и мягкие ткани . Механическая деформация твердых тканей (таких как дерево , ракушка и кость ) может быть проанализирована с помощью теории линейной упругости . С другой стороны, мягкие ткани (такие как кожа , сухожилия , мышцы и хрящи ) обычно подвергаются большим деформациям, и, таким образом, их анализ опирается на теорию конечных деформаций и компьютерное моделирование . Интерес к континуальной биомеханике обусловлен необходимостью реализма в разработке медицинского моделирования. [11] : 568
Нейромеханика использует биомеханический подход для лучшего понимания того, как мозг и нервная система взаимодействуют для управления телом. Во время двигательных задач двигательные единицы активируют набор мышц для выполнения определенного движения, которое может быть изменено посредством двигательной адаптации и обучения. В последние годы нейромеханические эксперименты стали возможны благодаря объединению инструментов захвата движения с нейронными записями.
Применение биомеханических принципов к растениям, органам растений и клеткам развилось в подраздел биомеханики растений. [12] Применение биомеханики к растениям варьируется от изучения устойчивости сельскохозяйственных культур к воздействию окружающей среды [13] до развития и морфогенеза в масштабах клеток и тканей, пересекаясь с механобиологией . [8]
В спортивной биомеханике законы механики применяются к движению человека, чтобы лучше понять спортивные результаты и уменьшить спортивные травмы . Она фокусируется на применении научных принципов механической физики для понимания движений действия человеческих тел и спортивных снарядов, таких как бита для крикета, хоккейная клюшка и копье и т. д. Элементы машиностроения ( например, тензодатчики ), электротехники (например, цифровая фильтрация ), информатики (например, численные методы ), анализа походки (например, силовые платформы ) и клинической нейрофизиологии (например, поверхностная ЭМГ ) являются распространенными методами, используемыми в спортивной биомеханике. [14]
Биомеханику в спорте можно определить как мышечные, суставные и скелетные действия тела при выполнении заданной задачи, навыка или техники. Понимание биомеханики, связанной со спортивными навыками, имеет наибольшее значение для спортивных результатов, реабилитации и профилактики травм, а также спортивного мастерства. Как отметил доктор Майкл Йессис, можно сказать, что лучший спортсмен — это тот, кто лучше всего реализует свой навык. [15]
Основным разделом сосудистой биомеханики является описание механического поведения сосудистых тканей.
Хорошо известно, что сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смерти 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 этих сложных тканей повышает возможность лучшего понимания сердечно-сосудистых заболеваний и радикально улучшает персонализированную медицину.
Сосудистые ткани неоднородны и имеют сильно нелинейное поведение. Обычно это исследование включает сложную геометрию со сложными условиями нагрузки и свойствами материалов. Правильное описание этих механизмов основано на изучении физиологии и биологического взаимодействия. Поэтому необходимо изучать механику стенки и гемодинамику с их взаимодействием.
Также необходимо предположить, что сосудистая стенка является динамической структурой, находящейся в непрерывной эволюции. Эта эволюция напрямую следует за химической и механической средой, в которую погружены ткани, например, за напряжением сдвига стенки или биохимической сигнализацией.
Новая область иммуномеханики фокусируется на характеристике механических свойств иммунных клеток и их функциональной значимости. Механику иммунных клеток можно охарактеризовать с помощью различных подходов силовой спектроскопии, таких как акустическая силовая спектроскопия и оптический пинцет, и эти измерения можно выполнять в физиологических условиях (например, при температуре). Кроме того, можно изучать связь между механикой иммунных клеток и иммунометаболизмом и иммунной сигнализацией. Термин «иммуномеханика» иногда взаимозаменяемо используется с механобиологией иммунных клеток или клеточной механоиммунологией.
Аристотеля, ученика Платона, можно считать первым биомехаником из-за его работы с анатомией животных. Аристотель написал первую книгу о движении животных, De Motu Animalium , или О движении животных . [17] Он рассматривал тела животных как механические системы, занимался такими вопросами, как физиологическая разница между представлением выполнения действия и фактическим его выполнением. [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 ростом Римской империи технология стала более популярной, чем философия, и возникла следующая биомеханика. Гален (129 н.э.-210 н.э.), врач Марка Аврелия , написал свою знаменитую работу «О функции частей» (о человеческом теле). Это будет стандартная медицинская книга в мире на следующие 1400 лет. [19]
Следующий крупный биомеханик появился только в 1490-х годах, когда Леонардо да Винчи изучал анатомию человека и биомеханику . 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 анализировал мышечные силы как действующие вдоль линий, соединяющих начала и прикрепления, и изучал функции суставов. Да Винчи также известен тем, что подражал некоторым особенностям животных в своих машинах. Например, он изучал полет птиц, чтобы найти средства, с помощью которых люди могли бы летать; и поскольку лошади были основным источником механической энергии в то время, он изучал их мышечные системы, чтобы спроектировать машины, которые лучше бы использовали 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 множество ошибок, допущенных Галеном, которые не были приняты во всем мире в течение многих столетий. Со смертью Коперника возникло новое желание понять и узнать о мире вокруг людей и о том, как он работает. На смертном одре он опубликовал свою работу «О вращении небесных сфер». Эта работа не только произвела революцию в науке и физике, но и в развитии механики, а позднее 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 известными многие биомеханические аспекты. Например, он обнаружил, что «масса животных увеличивается непропорционально их размеру, и их кости, следовательно, также должны непропорционально увеличиваться в обхвате, приспосабливаясь к нагрузке, а не просто к размеру. Прочность на изгиб трубчатой структуры, такой как кость, увеличивается относительно ее веса, делая ее полой и увеличивая ее диаметр. Морские животные могут быть крупнее наземных животных, потому что плавучесть воды снимает вес с 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 масса костей животных увеличивается непропорционально их размеру. Следовательно, кости также должны увеличиваться непропорционально в обхвате, а не просто в размере. Это происходит потому, что прочность на изгиб трубчатой структуры (такой как кость) намного более эффективна по отношению к ее весу. Мейсон предполагает, что это понимание было одним из первых постижений принципов биологической оптимизации . [20]
В XVII веке Декарт предложил философскую систему, согласно которой все живые системы, включая человеческое тело (но не душу), являются просто машинами, управляемыми одними и теми же механическими законами. Эта идея 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 рамках механической структуры. Он мог определить положение центра тяжести человека , рассчитать и измерить объемы вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, и он показал, что вдох осуществляется мышцами, а выдох обусловлен эластичностью тканей.
Борелли был первым, кто понял, что «рычаги мышечной системы увеличивают движение, а не силу, так что мышцы должны производить гораздо большие силы, чем те, которые сопротивляются движению». [19] Под влиянием работ Галилея, которого он знал лично, у него было интуитивное понимание статического равновесия в различных суставах человеческого тела задолго до того, как Ньютон опубликовал законы движения. [21] Его работа часто считается самой важной в истории биомеханики, потому что он сделал так много новых открытий, которые открыли путь для будущих поколений к продолжению его работы и исследований.
Прошло много лет после Борелли, прежде чем область биомеханики сделала какие-либо крупные скачки. После этого времени все больше и больше ученых стали изучать человеческое тело и его функции. В биомеханике не так много выдающихся ученых 19-го или 20-го века, потому что эта область слишком обширна, чтобы приписывать что-то одному человеку. Тем не менее, эта область продолжает расти с каждым годом и продолжает добиваться успехов в открытии большего количества сведений о человеческом теле. Поскольку эта область стала настолько популярной, за последнее столетие открылось много институтов 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 19 веке Этьен-Жюль Марей использовал кинематографию для научного исследования локомоции . Он открыл область современного «анализа движения», став первым, кто сопоставил силы реакции опоры с движением. В Германии братья Эрнст Генрих Вебер и Вильгельм Эдуард Вебер выдвинули много гипотез о человеческой походке, но именно Кристиан Вильгельм Брауне значительно продвинул науку, используя последние достижения в инженерной механике. В тот же период инженерная механика материалов начала процветать во Франции и Германии под давлением промышленной революции . Это привело к возрождению биомеханики костей, когда инженер-железнодорожник Карл Кульманн и анатом Герман фон Мейер сравнили картины напряжений в бедренной кости человека с картинами напряжений в кране аналогичной формы. Вдохновленный этим открытием, Юлиус Вольф предложил знаменитый закон Вольфа о ремоделировании костей . [22]
Изучение биомеханики простирается от внутренней работы клетки до движения и развития конечностей , механических свойств мягких тканей , [7] и костей . Некоторые простые примеры исследований биомеханики включают исследование сил, действующих на конечности, аэродинамику полета птиц и насекомых , гидродинамику плавания рыб и локомоцию в целом во всех формах жизни, от отдельных клеток до целых организмов . С ростом понимания физиологического поведения живых тканей исследователи могут продвигать область тканевой инженерии , а также разрабатывать улучшенные методы лечения широкого спектра патологий , включая рак . [23] [ необходима цитата ]
Биомеханика также применяется для изучения опорно-двигательного аппарата человека. Такие исследования используют силовые платформы для изучения сил реакции человека на землю и инфракрасную видеосъемку для захвата траекторий маркеров, прикрепленных к человеческому телу, для изучения трехмерного движения человека. Исследования также применяют электромиографию для изучения активации мышц, исследуя реакции мышц на внешние силы и возмущения. [24]
Биомеханика широко используется в ортопедической промышленности для проектирования ортопедических имплантатов для человеческих суставов, зубных частей, внешних фиксаторов и других медицинских целей. Биотрибология является очень важной ее частью. Это изучение производительности и функций биоматериалов, используемых для ортопедических имплантатов. Она играет жизненно важную роль в улучшении конструкции и производстве успешных биоматериалов для медицинских и клинических целей. Одним из таких примеров является тканевая инженерия хряща. [7] Динамическая нагрузка суставов, рассматриваемая как удар, подробно обсуждается Эмануэлем Виллертом. [25]
Она также связана с областью инженерии , поскольку часто использует традиционные инженерные науки для анализа биологических систем . Некоторые простые приложения ньютоновской механики и/или материаловедения могут обеспечить правильные приближения к механике многих биологических систем . Прикладная механика, в частности, 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 созданные человеком. Поэтому численные методы применяются почти в каждом биомеханическом исследовании. Исследования проводятся в итеративном процессе гипотез и проверки, включая несколько этапов моделирования , компьютерного моделирования и экспериментальных измерений .
Медиа, связанные с биомеханикой на Wikimedia Commons