Биомеханика - Biomechanics

Страница одного из первых произведений Биомеханика ( De Моту Animalium от Джованни Альфонсо Борелли ) в 17 - м веке

Биомеханика - это изучение структуры, функций и движения механических аспектов биологических систем на любом уровне от целых организмов до органов , клеток и клеточных органелл с использованием методов механики . Биомеханика - это раздел биофизики .

Этимология

Слово «биомеханика» (1899) и связанное с ним «биомеханическое» (1856) происходит от древнегреческого βος bios «жизнь» и μηχανική, mēchanikē «механика», для обозначения изучения механических принципов живых организмов, в частности их движение и структура.

Подполя

Механика биожидкостей

Механика биологических жидкостей или механика биожидкостей - это изучение потоков как газа, так и жидкости в биологических организмах или вокруг них. Часто изучаемая проблема жидких биожидкостей - это проблема кровотока в сердечно-сосудистой системе человека. При определенных математических обстоятельствах, кровь потока может быть смоделирована с помощью уравнений Навье-Стокса . Предполагается, что цельная кровь in vivo представляет собой несжимаемую ньютоновскую жидкость . Однако это предположение неверно при рассмотрении прямого кровотока в артериолах . В микроскопическом масштабе влияние отдельных эритроцитов становится значительным, и цельную кровь уже нельзя моделировать как континуум. Когда диаметр кровеносного сосуда немного больше диаметра эритроцита, возникает эффект Фараеуса-Линдквиста и уменьшается напряжение сдвига стенки . Однако по мере дальнейшего уменьшения диаметра кровеносного сосуда эритроциты должны протискиваться через сосуд и часто могут проходить только одним файлом. В этом случае возникает обратный эффект Фараеуса – Линдквиста и увеличивается напряжение сдвига стенки.

Примером проблемы газообразных биожидкостей является человеческое дыхание. В последнее время респираторные системы насекомых изучались на предмет биоинспирации с целью разработки усовершенствованных микрофлюидных устройств.

Биотрибология

Биотрибология - это исследование трения , износа и смазки биологических систем, особенно суставов человека, таких как бедра и колени. В целом эти процессы изучаются в контексте контактной механики и трибологии .

against each other, the effect of that rubbing on either surface will depend on friction, wear and lubrication at the point of contact. For example, the femoral and tibial components of knee implants routinely rub against each other during daily activity such as walking or stair climbing. If the performance of the tibial component needs to be analyzed, the principles of contact mechanics and tribology are used to determine the wear performance of the implant and the lubrication effects of synovial fluid.

Дополнительные аспекты биотрибологии включают анализ подповерхностного повреждения в результате контакта двух поверхностей во время движения, т. Е. Трения друг о друга, например, при оценке тканевого хряща.

Сравнительная биомеханика

Антарктический пингвин прыгает через воду

Сравнительная биомеханика - это применение биомеханики к нечеловеческим организмам, независимо от того, используется ли она для более глубокого понимания людей (как в физической антропологии ) или функций, экологии и адаптации самих организмов. Общие области исследования - передвижение и кормление животных , поскольку они имеют прочную связь 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 силы тяжести , хотя преобладающий фактор зависит от окружающей среды.

Сравнительная биомеханика сильно пересекается со многими другими областями, включая экологию , нейробиологию , биологию развития , этологию и палеонтологию , вплоть до публикации статей в журналах других областей. Сравнительная биомеханика часто применяется в медицине (в отношении обычных модельных организмов, таких как мыши и крысы), а также в биомиметике , которая обращается к природе в поисках решений инженерных проблем.

Вычислительная биомеханика

Вычислительная биомеханика - это применение инженерных вычислительных инструментов, таких как метод конечных элементов, для изучения механики биологических систем. Вычислительные модели и имитационное моделирование используются для прогнозирования взаимосвязи между параметрами, которые в противном случае сложно проверить экспериментально, или используются для разработки более релевантных экспериментов, сокращая время и стоимость экспериментов. Механическое моделирование с использованием анализа методом конечных элементов использовалось для интерпретации экспериментального наблюдения за ростом растительных клеток, например, чтобы понять, как они дифференцируются. 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 эндоанатомический ответ анатомии, не подвергаясь этическим ограничениям. Это привело к тому, что моделирование КЭ стало повсеместным в нескольких областях биомеханики, в то время как несколько проектов даже приняли философию открытого исходного кода (например, BioSpine).

Экспериментальная биомеханика

Экспериментальная биомеханика - это применение экспериментов и измерений в биомеханике.

Биомеханика континуума

Механический анализ биоматериалов и биожидкостей обычно проводится с использованием концепций механики сплошных сред . Это предположение не работает, когда интересующие нас масштабы длины приближаются к порядку микроструктурных деталей материала. Одна из самых замечательных характеристик биоматериалов - их иерархическая структура. Другими словами, механические характеристики этих материалов зависят от физических явлений, происходящих на нескольких уровнях, от молекулярного до уровней тканей и органов .

Биоматериалы делятся на две группы: твердые и мягкие ткани . Механическая деформация твердых тканей (например, дерева , раковины и кости ) 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 поэтому их анализ основан на теории конечных деформаций и компьютерном моделировании . Интерес к континуальной биомеханике вызван необходимостью реализма при разработке медицинских симуляторов.

Биомеханика растений

Применение принципов биомеханики к растениям, органам и клеткам растений превратилось в область биомеханики растений. Применение биомеханики для растений варьируется от изучения устойчивости сельскохозяйственных культур к стрессу окружающей среды до развития и морфогенеза в клеточном и тканевом масштабе, частично совпадая с механобиологией .

Спортивная биомеханика

В спортивной биомеханике законы механики применяются к движению человека, чтобы лучше понять спортивные результаты, а также уменьшить спортивные травмы . Он фокусируется на применении 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.

Биомеханика в спорте может быть определена как мышечные, суставные и скелетные действия тела во время выполнения заданной задачи, навыка и / или техники. Правильное понимание биомеханики, относящейся к спортивным навыкам, имеет наибольшее значение для спортивных достижений, реабилитации и предотвращения травм, а также спортивного мастерства. Как отмечает доктор Майкл Йессис, можно сказать, что лучший спортсмен - это тот, кто лучше всех применяет свои навыки.

Другие прикладные области биомеханики включают:

История

Античность

Первым биомехаником можно считать Аристотеля, ученика Платона, поскольку он работал с анатомией животных. Аристотель написал первую книгу о движении животных, De Motu Animalium , или « О движении животных» . Он не только рассматривал тела животных как механические системы, но и занимался такими вопросами, как физиологическая разница между представлением о выполнении действия и его действительным выполнением. В другой работе « О частях животных» он дал точное описание того, как мочеточник использует перистальтику для переноса мочи из почек в мочевой пузырь .

С подъемом Римской империи технология стала более популярной, чем философия, и возникла следующая биомеханика. Гален (129–210 гг.), Врач Марка Аврелия , написал свою знаменитую работу «О функциях частей» (о человеческом теле). Это будет стандартная медицинская книга в мире на следующие 1400 лет.

эпоха Возрождения

Следующая крупная биомеханика появится не раньше 1452 года, когда родился Леонардо да Винчи . Да Винчи был художником, механиком и инженером. Он участвовал в проектах в области механики, военного и гражданского строительства. 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 вдоль линий, соединяющих истоки и прикрепления, и изучил функцию суставов. Да Винчи имел тенденцию имитировать некоторые черты животных в своих машинах. Например, он изучал полет птиц, чтобы найти средства, с помощью которых люди могут летать; и поскольку лошади были основным источником механической силы в то время, он изучил их мышечные системы, чтобы разработать машины, которые лучше извлекали бы выгоду из сил, прилагаемых этим животным.

В 1543 году Андреас Везалий в возрасте 29 лет оспорил работу Галена «О функции частей» . Везалий опубликовал свою собственную работу под названием «О строении человеческого тела». В этой работе Везалий исправил множество ошибок Галена, которые многие столетия не принимали во всем мире. Со смертью Коперника появилось 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 произвела революцию не только в науке и физике, но и в развитии механики, а затем и биомеханики.

Галилео Галилей , отец механики и по совместительству биомеханика, родился через 21 год после смерти Коперника . Галилей много лет проучился в медицинской школе и часто подвергал сомнению все, чему учили его профессора. Он обнаружил, что профессора не могут доказать то, чему они учат, поэтому он перешел к математике, где все должно было быть доказано. Затем, в возрасте 25 лет, он поехал в Пизу и преподавал математику. Он был очень хорошим лектором, и студенты оставляли других своих преподавателей, чтобы послушать его выступление, поэтому он был вынужден уйти в отставку. Затем он стал профессором еще более престижной школы в Падуе . Его дух и учение снова поведут мир в направлении науки. За годы своей научной деятельности Галилей открыл множество биомеханических аспектов. Например, он обнаружил, что «массы животных увеличиваются непропорционально их размеру, и, следовательно, их кости должны также непропорционально увеличиваться в обхвате, адаптируясь к нагрузке, а не простому размеру. Прочность на изгиб трубчатой ​​конструкции, такой как кость, увеличивается по сравнению с его вес, поскольку он становится полым и увеличивается в диаметре. Морские животные могут быть больше земных, потому что плавучесть воды снижает вес их тканей ».

Галилео Галилей интересовался силой костей и предположил, что кости полые, потому что это обеспечивает максимальную прочность при минимальном весе. Он отметил, что костные массы животных увеличивались непропорционально их размеру. Следовательно, кости должны также непропорционально увеличиваться в обхвате, а не просто в размере. Это связано с тем, что прочность на изгиб трубчатой ​​конструкции (например, кости) намного эффективнее по сравнению с ее весом. Мейсон предполагает, что это открытие было одним из первых уловок принципов биологической оптимизации .

В 17 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, идея, которая во многом способствовала продвижению и поддержанию биомеханических исследований.

Индустриальная эпоха

Следующий крупный биомеханик, Джованни Альфонсо Борелли , воспринял 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 и показал, что вдох управляется мышцами, а выдох - эластичностью тканей.

Борелли был первым, кто понял, что «рычаги мускулатуры увеличивают движение, а не силу, поэтому мышцы должны производить гораздо большие силы, чем те, которые сопротивляются движению». Под влиянием работ Галилея, которого он знал лично, он интуитивно понимал статическое равновесие в различных суставах человеческого тела задолго до того, как Ньютон опубликовал законы движения. Его работу часто считают самой важной в истории биомеханики, потому что 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 значительный скачок. С тех пор все больше и больше ученых начали изучать человеческое тело и его функции. В области биомеханики не так много выдающихся ученых XIX или XX века, потому что сейчас область слишком обширна, чтобы приписывать одну вещь одному человеку. Тем не менее, эта область продолжает расти с каждым годом и продолжает делать успехи в открытии новых знаний о человеческом теле. Поскольку эта область стала настолько популярной, за последнее столетие открылось множество учреждений и лабораторий, и люди продолжают проводить исследования. С созданием в 1977 году Американского общества биомехаников эта область продолжает расти и делать много новых открытий.

В XIX веке Этьен-Жюль Марей использовал кинематографию для научных исследований локомоции . Он открыл область современного «анализа движения», будучи первым, кто связал 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 Брауне значительно продвинул науку, используя последние достижения инженерной механики. В тот же период инженерная механика материалов начала процветать во Франции и Германии в связи с требованиями промышленной революции . Это привело к возрождению костной биомеханики, когда инженер-железнодорожник Карл Кульман и анатом Герман фон Мейер сравнили модели напряжения бедренной кости человека с таковыми у крана аналогичной формы. Вдохновленный этой находки Julius Wolff предложил знаменитый закон Вольфа из костной ткани .

Приложения

Изучение биомеханики варьируется от внутренней работы клетки до движения и развития конечностей , до механических свойств мягких тканей и костей . Некоторые простые примеры биомеханики исследования включают исследование сил , которые действуют на конечностях, в аэродинамику из птицы и насекомого полета , то гидродинамика по плаванию в рыбе , и локомоции в целом по всем формам жизни, от отдельных клеток до целых организмов . С растущим пониманием физиологического поведения живых тканей исследователи могут продвигаться вперед в области тканевой инженерии , а также разрабатывать улучшенные методы лечения широкого спектра патологий, включая рак.

Биомеханика также применяется для изучения опорно-двигательного аппарата человека. В таких исследованиях используются силовые платформы для изучения сил реакции человека на землю и инфракрасная видеосъемка для захвата траекторий маркеров, прикрепленных к человеческому телу, для изучения трехмерного движения человека. Исследования также применяют электромиографию для изучения активации мышц, изучения реакции мышц на внешние силы и возмущения.

Биомеханика широко используется в ортопедической промышленности для создания ортопедических имплантатов для суставов человека, частей зубов, внешней фиксации и других медицинских целей. Биотрибология - очень важная ее часть. Это исследование эффективности и функции биоматериалов, используемых для ортопедических имплантатов. Он играет жизненно важную роль в улучшении дизайна и производстве успешных биоматериалов для медицинских и клинических целей. Одним из таких примеров является тканевый хрящ. Динамическая нагрузка суставов, рассматриваемая как удар, подробно обсуждается Эмануэлем Виллертом.

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 приближения к механике многих биологических систем . Прикладная механика, в первую очередь такие дисциплины, как машиностроение, такие как механика сплошных сред , анализ механизмов , структурный анализ, кинематика и динамика, играют важную роль в изучении биомеханики.

Рибосомой является биологической машиной , которая использует динамики белков

Обычно биологические системы намного сложнее, чем системы, созданные человеком. Следовательно, численные методы применяются почти во всех биомеханических исследованиях. Исследования проводятся в итеративном процессе гипотезы и проверки, включая несколько этапов моделирования , компьютерного моделирования и экспериментальных измерений .

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

  • Cowin, Стивен С., изд. (2008). Справочник по механике костей (2-е изд.). Нью-Йорк: Informa Healthcare. ISBN 978-0-8493-9117-0.
  • Фишер-Криппс, Энтони К. (2007). Введение в контактную механику (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-0-387-68187-0.
  • Фунг, Ю.-К. (1993). Биомеханика: механические свойства живых тканей . Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-97947-2.
  • Гуртин, Мортон Э. (1995). Введение в механику сплошных сред (6-е изд.). Сан-Диего: Акад. Нажмите. ISBN 978-0-12-309750-7.
  • Хамфри, Джей Д. (2002). Сердечно-сосудистая механика твердого тела: клетки, ткани и органы . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-0-387-95168-3.
  • Мазумдар, Джаган Н. (1993). Механика биожидкостей (Reprint 1998. ed.). Сингапур: World Scientific. ISBN 978-981-02-0927-8.
  • Mow, Van C .; Huiskes, Rik, eds. (2005). Основы ортопедической биомеханики и механо-биологии (3-е изд.). Филадельфия: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. п. 2. ISBN 978-0-7817-3933-7.
  • Петерсон, Дональд Р .; Бронзино, Джозеф Д., ред. (2008). Биомеханика: принципы и приложения (2-е изд. Ред.). Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 978-0-8493-8534-6.
  • Теменофф, JS; Микос, AG (2008). Биоматериалы: пересечение биологии и материаловедения (Междунар. Ред.). Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Пирсон / Прентис-Холл. ISBN 978-0-13-009710-1.
  • Тоттен, Джордж Э .; Лян, Хонг, ред. (2004). Механическая трибология: материалы, характеристики и приложения . Нью-Йорк: Марсель Деккер. ISBN 978-0-8247-4873-9.
  • Уэйт, Ли; Хорошо, Джерри (2007). Прикладная механика биожидкостей . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-147217-3.
  • Янг, Дональд Ф .; Брюс Р. Мансон; Теодор Х. Окииси (2004). Краткое введение в механику жидкости (3-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 978-0-471-45757-2.

Внешние ссылки