生物力學

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生物力學 (biomechanics )生物力學是應用力學原理和方法對生物體中的力學問題定量研究的生物物理學分支。其研究範圍從生物整體到系統、器官(包括血液體液、臟器、骨骼等),從鳥飛、魚游、鞭毛纖毛運動到植物體液的輸運等。 生物力學的基礎是能量守恆、動量定律、質量守恆三定律並加上描寫物性的本構方程。生物力學研究的重點是與生理學、醫學有關的力學問題。依研究對象的不同可分為生物流體力學、生物固體力學和運動生物力學等。

生物力學的發展

  在科學的發展過程中,生物學和力學相互促進和發展著。哈維在1615年根據流體力學中的連續性原理,按邏輯推斷了血液循環存在,並由馬爾皮基於1661年發現蛙肺血管而得到證實;材料力學中著名的揚氏模量是揚為建立聲帶發音的彈性力學理論而提出的;流體力學中描述直圓管層流運動的泊松定理,其實驗基礎是狗主動脈血壓的測量;黑爾斯測量了馬的動脈血壓,為尋求血壓和失血的關係,在血液流動中引進了外周阻力的概念,同時指出該阻力主要來自組織中的微血管;弗蘭克提出了心髒的流體力學理論;施塔林提出了物質透過膜的傳輸定律;克羅格由於對微循環力學的貢獻,希爾由於肌肉力學的貢獻而先後(1920,1922)獲諾貝爾生理學或醫學獎。到了20世紀60年代,生物力學成為一門完整、獨立的學科。

生物力學的分類

生物固體力學

  生物固體力學是利用材料力學、彈塑性理論、斷裂力學的基本理論和方法,研究生物組織和器官中與之相關的力學問題。在近似分析中,人與動物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強度理論及其狀態參數都可應用材料力學的標準公式。但是,無論在形態還是力學性質上,骨頭都是各向異性的。   20世紀70年代以來,對骨骼的力學性質已有許多理論與實踐研究,如組合桿假設,二相假設等,有限元法、斷裂力學以及應力套方法和先測彈力法等檢測技術都已應用於骨力學研究。骨是一種複合材料,它的強度不僅與骨的構造也與材料本身相關。骨是骨膠原纖維和無機晶體的組合物,骨板縱向纖維和環向纖維構成,骨質中的無機晶體使骨強度大大提高。體現了骨以最少的結構材料來承受最大外力的功能適應性。   木材昆蟲表皮都是纖維嵌入其他材料中構成的複合材料,它與由很細的玻璃纖維嵌在合成樹脂中構成的玻璃鋼的力學性質類似。動物與植物是由多糖蛋白質類脂等構成的高聚物,應用橡膠和塑料的高聚物理論可得出蛋白質和多糖的力學性質。粘彈性及彈性變形、彈性模量等知識不僅可用於由氨基酸組成的蛋白質,也可用來分析有關細胞的力學性質。如細胞分裂微絲作用力肌絲的工作方式和工作原理及細胞膜的力學性質等。   生物固體力學中關於骨的研究,可以追溯到19世紀,大量的研究者骨組織進行了研究,直到19世紀末,Wollf提出了著名的Wollf's Law. 他認為骨組織是一種自優化的組織,其結構會隨著外載的變化而逐漸變化,從而達到最優的狀態。以後,研究者進行了大量研究,基於此定律提出了不少的理論及數學模型。其中較為著名教授有S.C Cowin ,D. R Carter , Husikes。在國內,吉林大學的朱興華教授也做了大量工作。

生物流體力學

  生物流體力學是研究生物心血管系統消化呼吸系統泌尿系統內分泌以及游泳、飛行等與水動力學空氣動力學、邊界層理論和流變學有關的力學問題。   人和動物體內血液的流動、植物體液的輸運等與流體力學中的層流、湍流、滲流和兩相流等流動型式相近。在分析血液力學性質時,血液在大血管流動的情況下,可將血液看作均質流體。由於微血管直徑與紅細胞直徑相當在微循環分析時,則可將血液看作兩相流體。當然,血管越細,血液的非牛頓特性越顯著。   人體內血液的流動大都屬於層流,在血液流動很快或血管很粗的部位容易產生湍流。在主動脈中,以峰值速度運動的血液勉強處於層流狀態,但在許多情況下會轉變成湍流。XX中的尿流往往是湍流。而通過毛細血管壁的物質交換則是一種滲流。對於血液流動這樣的內流,因心髒的搏動血液流動具有波動性,又因血管富有彈性故流動邊界呈不固定型。因此,體內血液的流動狀態是比較複雜的。   對於外流,流體力學的知識也用於動物游泳的研究。如魚的體型呈流線型,且易撓曲,可通過興波自我推進。水洞實驗表明,在魚遊動時的流體邊界層內,速度梯度很大,因而克服流體的粘性阻力的功率也大。小生物和單細胞的遊動,也是外流問題。鞭毛的波動和纖毛的拍打推動細胞表面的流體,使細胞向前運動。XX用鞭毛遊動,水的慣性可以忽略,其水動力正比于XX的相對遊動速度。原生動物在液體中運動,其所受阻力可以根據計算流場中小顆粒的阻力公式(斯托克斯定律)得出。   此外,空氣動力學的原理與方法常用來研究動物的飛行。飛機和飛行動物飛行功率由兩部分組成:零升力功率和誘導功率。前者用來克服邊界層內的空氣粘性阻力;後者用來向下加速空氣,以提供大小等於飛機或飛行動物重量的升力。鳥在空中可以通過前後拍翅來調節滑翔角度,這與滑翔機襟翼調節的作用一樣。風洞已用於研究飛行動物的飛行特性,如禿鷲蝙蝠的滑行性能與模型滑翔機非常相似。

運動生物力學

  運動生物力學是用靜力學、運動學和動力學的基本原理結合解剖學、生理學研究人體運動的學科。用理論力學的原理和方法研究生物是個開展得比較早、比較深入的領域。   在人體運動中,應用層動學和動力學的基本原理、方程去分析計算運動員跑、跳、投擲等多種運動項目的極限能力,其結果與奧林匹克運動會的記錄非常相近。在創傷生物力學方面,以動力學的觀點應用有限元法,計算頭部頸部受衝擊時的頻率響應並建立創傷模型,從而改進頭部和頸部的防護並可加快創傷的治療。   人體各器官、系統,特別是心臟循環系統肺臟—呼吸系統的動力學問題、生物系統和環境之間的熱力學平衡問題、特異功能問題等也是當前研究的熱點。生物力學的研究,不僅涉及醫學、體育運動方面,而且已深入交通安全、宇航、軍事科學的有關方面。

中國研究

與中國傳統醫學結合

  中國的生物力學研究,有相當一部分與中國傳統醫學結合。因而在骨骼力學、脈搏波、無損檢測、推拿氣功、生物軟組織等項目的研究中已形成自己的特色。   進行生物力學的研究首先要了解生物材料的幾何特點,進而測定組織或材料的力學性質,確定本構方程、導出主要微分方程和積分方程、確定邊界條件並求解。對於上述邊界問題的解,需用生理實驗去驗證。若有必要,還需另立數學模型求解,以期理論與實驗相一致。   其次作為實驗對象的生物材料,有在體和離體之分。在體生物材料一般處於受力狀態(如血管、肌肉),一旦遊離出來,則處於自由狀態,即非生理狀態(如血管、肌肉一旦遊離,當即明顯收縮變短)。兩種狀態材料的實驗結果差異較大。

說明

  生物力學的研究要同時從力學和組織學、生理學、醫學等兩大方面進行研究,即將宏觀力學性質和微觀組織結構聯繫起來,因而要求多學科的聯合研究或研究人員具有多學科的知識。

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