Кіріспе
Биологиялық жүйелердің механикасын зерттеу. Биомеханика – механика әдістерін қолдана отырып, тұтас организмдерден бастап органдарға, жасушаларға және жасушалық органельдерге дейінгі биологиялық жүйелердің механикалық аспектілерінің құрылымын, қызметін және қозғалысын зерттейтін ғылым. Биомеханика – биофизиканың бір саласы. 2022 жылы есептеу механикасы таза механикадан әлдеқайда асып, химия, жылу және масса алмасу, электр және магниттік әсерлер сияқты басқа да физикалық процестерді қамтиды.
Biomechanics is the study of the structure, function and motion of the mechanical aspects of biological systems, at any level from whole organisms to organs, cells and cell organelles, using the methods of mechanics. Biomechanics is a branch of biophysics. In 2022, computational mechanics goes far beyond pure mechanics, and involves other physical actions: chemistry, heat and mass transfer, electric and magnetic stimuli and many others.
Этимология
"Биомеханика" (1899) және оған қатысты "биомеханикалық" (1856) сөздері ежегі грек тіліндегі βίος bios – "өмір" және μηχανική, mēchanikē – "механика" сөздерінен туындаған. Олар тірі организмдердің, әсіресе олардың қозғалысы мен құрылымының механикалық принциптерін зерттеуге қатысты ғылымды білдіреді.
Биотірілкі механикасы
Биологиялық сұйықтықтар механикасы немесе биотіріліктер механикасы – биологиялық организмдерде немесе олардың айналасындағы газ және сұйық ағындарды зерттейтін ғылым. Сұйық биосұйықтықтардың жиі зерттелетін мәселесі – адамның қан айналым жүйесіндегі қан ағыны. Белгілі бір математикалық жағдайларда қан ағынын Навье-Стокс теңдеулерімен модельдеуге болады. In vivo толық қан қысылмайтын Ньютон сұйықтығы деп есептеледі. Дегенмен, артериолалар ішіндегі алға бағытталған ағынды қарастырғанда бұл болжам дұрыс емес. Микроскопиялық деңгейде жеке қызыл қан жасушаларының әсері маңызды болады, сондықтан толық қанды үздіксіз орта ретінде модельдеу мүмкін емес. Қан тамырының диаметрі қызыл қан жасушасының диаметрінен сәл ғана үлкен болса, Фареус-Линдквист эффекті пайда болады және қабырғалық серпіліс кернеуі төмендейді. Алайда, қан тамырының диаметрі одан әрі кішірейгенде, қызыл қан жасушалары тамырдан өту үшін сығылуға мәжбүр болады және көбінесе бір қатармен ғана өте алады. Бұл жағдайда кері Фареус-Линдквист эффекті пайда болады және қабырғалық серпіліс кернеуі артады. Газды биотірілдіктер мәселесінің мысалы – адамның тыныс алуы. Соңғы кезде жәндіктердің тыныс алу жүйелері микрофлюидтік құрылғыларды жетілдіру мақсатында биошабыт ретінде зерттелді.
Биотрибология
Биотрибология – биологиялық жүйелердегі үйкеліс, тозу және майлауды, әсіресе жамбас және тізе сияқты адам буындарын зерттейтін ғылым. Көбінесе, бұл процестер контакттық механика және трибология контекстінде қарастырылады. Биотрибологияның қосымша аспектілеріне қозғалыс кезінде екі беттің жанасуынан туындайтын, яғни бір-біріне үйкелісуден болатын беткі қабаттың зақымдануын талдау кіреді, мысалы, тіндік инженерия арқылы өндірілген шеміршектерді бағалауда.
Салыстырмалы биомеханика
Салыстырмалы биомеханика – биомеханиканы адам емес организмдерге қолдану, мақсаты адамдар туралы (мысалы, физикалық антропологияда) немесе организмдердің өзінің функциялары, экологиясы және бейімделулері туралы тереңірек білу болып табылады. Көбінесе зерттелетін салалар – жануарлардың қозғалысы және тамақтануы, себебі олар организмнің тіршілікке қабілетімен тығыз байланысты және үлкен механикалық күштерге ұшырайды. Жануарлардың қозғалысы жүгіру, секіру және ұшу сияқты түрлі нысандарда көрінеді. Қозғалысқа үйкеліс, қарсылық, инерция және гравитацияны жеңу үшін энергия қажет, бірақ қай фактор басым екені ортаға байланысты өзгеріп отырады. Салыстырмалы биомеханика экология, нейробиология, даму биологиясы, этиология және палеонтология сияқты көптеген басқа салалармен тығыз байланысты, тіпті осы салалардың журналдарында мақалалар жариялауға дейін жетеді. Салыстырмалы биомеханика медицинада (мышықтар мен егеуқұйрықтар сияқты кең таралған модельді организмдерге қатысты) және инженерлік мәселелерді шешу үшін табиғаттан үлгі-қалды алуға негізделген биомиметикада жиі қолданылады.
Есептеу биомеханикасы
Есептеу биомеханикасы – инженерлік есептеу құралдарын, мысалы, шектеулі элементтер әдісін биологиялық жүйелердің механикасын зерттеу үшін қолдану. Есептеу модельдері мен симуляциялар эксперименттік жолмен тексеру қиын параметрлер арасындағы байланысты болжау үшін, немесе эксперименттердің уақытын және шығындарын азайтатын, маңызды эксперименттерді жобалау үшін пайдаланылады. Мысалы, өсімдік жасушаларының өсуін тәжірибелік бақылау арқылы олардың қалай дифференциалданатынын түсіну үшін механикалық модельдеу және шектеулі элементтік талдау қолданылды. Бұл FE модельдеуінің (немесе басқа дискреттеу техникаларының) биомеханиканың көптеген салаларында кеңінен қолданылуына әкелді, сондай-ақ бірнеше жобалар ашық кодты философияны қабылдады (мысалы, BioSpine), SOniCS, сонымен қатар SOFA, FEniCS және FEBio сияқты платформалар пайда болды. Есептеу биомеханикасы хирургиялық симуляцияның қажетті бөлігі болып табылады, ол хирургиялық жоспарлау, көмек көрсету және оқыту үшін қолданылады. Бұл жағдайда, сандық (дискреттеу) әдістер жүйеге күштер, жылу және масса алмасу, электрлік және магниттік стимулдар сияқты шекаралық шарттарға ең жылдам реакцияны есептеу үшін қолданылады.
Біріктірілген биомеханика
Биоматериалдар мен биосұйықтықтардың механикалық талдауы көбінесе континуум механикасының қағидаларымен жүзеге асырылады. Егер қызығушылық тудыратын ұзындық өлшемдері материалдың микроқұрылымдық ерекшеліктерінің деңгейіне жақындаса, бұл шарт бұзылады. Биоматериалдардың ең танымал қасиеттерінің бірі – олардың иерархиялық құрылымы. Яғни, осы материалдардың механикалық сипаттамалары молекулалық деңгейден бастап тіндер мен органдар деңгейіне дейін болатын физикалық процестерге байланысты. Биоматериалдар екі топқа бөлінеді: қатты және жұмсақ тіндер. Қатты тіндердің (мысалы, ағаш, қабықша және сүйек) механикалық деформациясын сызықтық серпімділік теориясымен талдауға болады. Ал жұмсақ тіндер (мысалы, тері, сіңір, бұлшық ет және шеміршек) көбінесе үлкен деформацияға ұшырайды, сондықтан оларды талдау үшін шекті деформация теориясы мен компьютерлік модельдеу қолданылады. Медициналық модельдеуді дамытуда нақтылықты қамтамасыз ету қажеттілігі континуумдық биомеханикаға қызығушылықты арттырады.
Нейромеханика
Нейромеханика биомеханикалық тәсілді қолдана отырып, ми мен жүйке жүйесінің денеге қалай басшылық ететінін жақсырақ түсінуге мүмкіндік береді. Моторлық тапсырма орындалғанда, моторлық бірліктер нақты бір қозғалысты жасау үшін белгілі бір бұлшықеттер жиынтығын қосады, және бұл қозғалыс моторлық бейімделу мен оқу арқылы өзгертілуі мүмкін. Соңғы жылдары нейромеханикалық тәжірибелерді қозғалысты тіркеу құралдарын және нейрондық жазбаларды біріктіру арқылы жүргізуге болады.
Өсімдіктердің биомеханикасы
Биомеханикалық принциптерді өсімдіктерге, өсімдік мүшелеріне және жасушаларға қолдану өсімдік биомеханикасының жеке саласы ретінде қалыптасты. Өсімдіктерде биомеханиканы қолдану ауқымы қоршаған орта стресіне төзімділікті зерттеуден бастап, жасуша және тіндік деңгейдегі даму мен морфогенезді қамтиды, бұл механобиологиямен байланысты.
Спорттық биомеханика
Спорттық биомеханикада механика заңдары адам қозғалысына қолданылады, бұл спортшының өнемі мен спорт жарақаттарын азайтуды жақсырақ түсінуге мүмкіндік береді. Ол адам денесінің және крикет шапашағы, хоккей таяғы, найза сияқты спорт құралдарының қозғалысын түсіну үшін механикалық физиканың ғылыми принциптерін қолдануға бағытталған. Механикалық инженерия элементтері (мысалы, деформация өлшегіштері), электр инженериясы (мысалы, сандық сүзгілеу), компьютерлік ғылым (мысалы, сандық әдістер), қадамдарды талдау (мысалы, күш платформалары) және клиникалық нейрофизиология (мысалы, беткі ЭМГ) спорттық биомеханикада қолданылатын әдеттегі әдістер болып табылады. Спорттағы биомеханиканы белгілі бір міндетті, дағдыны және/немесе техниканы орындау кезіндегі денедегі бұлшықет, буын және қаңқа әрекеттері деп атауға болады. Спорт дағдысына қатысты биомеханиканы дұрыс түсіну спорт өнеміне, қалпына келтіруге және жарақаттарды алдын алуға, сондай-ақ спортты меңгеруге зор әсер етеді. Доктор Майкл Ессистің айтуынша, ең жақсы спортшы – өзінің дағдысын ең жақсы орындай білетін адам.
Қан тамырлары биомеханикасы
Қан тамырлары биомеханикасының негізгі тақырыптары – қан тамырлары тіндерінің механикалық қасиеттерін сипаттау болып табылады. Кардиоваскулярлық аурулардың бүкіл әлемде өлімнің басты себебі екені мәлім. Адам организміндегі қан тамырлары жүйесі – қысымды сақтап, қан ағыны мен химиялық алмасуды қамтамасыз етуге тиіс басты компонент. Осы күрделі тіндердің механикалық қасиеттерін зерттеу кардиоваскулярлық ауруларды жақсырақ түсінуге және жеке медицинаны едәуір жетілдіруге мүмкіндік береді. Қан тамырлары тіндері біртекті емес, күшті бейсызықтық мінез-құлыққа ие. Әдетте, бұл зерттеу күрделі геометрияны, күрделі жүктеме жағдайларын және материалдық қасиеттерді қамтиды. Бұл механизмдерді дұрыс сипаттау физиология мен биологиялық өзара әрекеттесуді зерттеуге негізделген. Сондықтан қабырға механикасы мен гемодинамикасын, олардың өзара әрекеттесуімен бірге зерттеу қажет. Сондай-ақ, қан тамырлары қабырғасының үнемі дамитын динамикалық құрылым екенін ескеру керек. Бұл эволюция тіндердің Wall Shear Stress немесе биохимиялық сигналдар сияқты химиялық және механикалық ортада болуына тікелей байланысты.
Ежелгі дәуір
Аристотель, Платонның шәкірті, жануарлар анатомиясы бойынша жұмыстарының нәтижесінде алғашқы биомеханик саналады. Аристотель жануарлардың қозғалысы туралы «De Motu Animalium» немесе «Жануарлардың қозғалысы туралы» деген тұңғыш кітапты жазды. Ол жануарлар денесін механикалық жүйе ретінде қарастырып, әрекетті ойша елестету мен оны іске асыру арасындағы физиологиялық айырмашылық сияқты мәселелерді зерттеді. "Жануарлардың дене мүшелері туралы" еңбегінде ол несеп жолының бүйректерден көк қуысқа несепті перистальтика арқылы қалай тасымалдайтынын дәл сипаттады.
Қайта өрлеу дәуірі
Келесі маңызды биомеханик 1490 жылдарға дейін күтпеді, Леонардо да Винчидің адам анатомиясы және биомеханикасы бойынша жүргізген зерттеулерімен пайда болды. Ол ғылым мен механиканы жақсы түсінді, анатомияны механикалық тұрғыдан зерттеді. Ол бұлшық еттердің күштерін және қозғалыстарын, сондай-ақ буындардың жұмысын талдады. Бұл зерттеулерді биомеханика саласындағы зерттеулер деп санауға болады. Леонардо да Винчи анатомияны механикалық контексте зерттеді. Ол бұлшықет күштерін олардың басталу және бекітілу нүктелерін байланыстыратын сызықтар бойымен әрекет ететінін талдады және буындардың жұмысын зерттеді. Да Винчи өз машиналарында кейбір жануарлардың ерекшеліктерін имитациялағанымен де белгілі. Мысалы, ол құстардың ұшуын зерттеді, адамдардың қалай ұша алатынын табуға тырысты; ал сол кезде жылқылар механикалық қуаттың басты көзі болғандықтан, ол олардың бұлшықет жүйелерін зерттеді, осы жануардың күштерінен тиімдірек пайдаланатын машиналар жасау үшін. 1543 жылы Андреас Везалий 29 жасында Галеннің «Мүшелердің қызметі туралы» еңбегін сынға алды. Везалий өзінің «Адам денесінің құрылысы туралы» атты еңбегін жариялады. Бұл еңбекте Везалий Гален жасаған көптеген қателерді түзеді, бірақ олар көптеген ғасырлар бойы жаһандық деңгейде қабылданбады. Коперник қайтыс болғаннан кейін, адамдардың айналасындағы әлемді түсіну және оның қалай жұмыс істейтінін білуге деген жаңа құштарлық пайда болды. Өлім төсегінде ол «Аспан сфераларының айналысы туралы» еңбегін жариялады. Бұл еңбек ғылым мен физиканы ғана емес, сонымен қатар механиканың және кейінірек биомеханиканың дамуын да революциялады. Оның еңбегі биомеханика тарихындағы ең маңыздысы саналады, өйткені ол көптеген жаңа жаңалықтар жасады, бұл болашақ ұрпақтарға оның жұмысын және зерттеулерін жалғастыруға мүмкіндік берді. Бореллиден кейін биомеханика саласы үлкен қадамдар жасағанға дейін көп жылдар өтті. Одан кейін көбірек ғалымдар адам денесі мен оның функцияларын зерттеуге кірісті. Биомеханикада 19-шы және 20-шы ғасырлардағы ерекше ғалымдар көп емес, өйткені бұл сала қазір бір адамға бір жайтты жатқызуға тым кең. Дегенмен, бұл сала жыл сайын өсіп, адам денесі туралы көбірек білуде жаңа жетістіктерге жетеді. Саланың танымал болуына байланысты соңғы ғасырда көптеген институттар мен зертханалар ашылды және адамдар зерттеу жұмыстарын жалғастыруда. 1977 жылы Америка биомеханика қоғамы құрылғаннан бері бұл сала өсіп, көптеген жаңа жаңалықтар жасауда.