Введение

Биомеханика – это изучение структуры, функции и движения механических аспектов биологических систем на любом уровне, от целых организмов до органов, клеток и клеточных органелл, с использованием методов механики. Биомеханика является разделом биофизики. В 2022 году вычислительная механика выходит далеко за рамки чистой механики, охватывая и другие физические процессы: химические реакции, тепло- и массоперенос, электрические и магнитные воздействия, и многие другие.

Этимология

Слово "биомеханика" (1899) и связанный с ним термин "биомеханический" (1856) происходят от древнегреческих слов βίος (bios) — "жизнь" и μηχανική (mēchanikē) — "механика", и используются для обозначения изучения механических принципов, лежащих в основе живых организмов, в особенности их движения и строения.

Механика биожидкостей

Механика биологических жидкостей, или биофлюидная механика, – это изучение течений как газов, так и жидкостей в биологических организмах или вокруг них. Часто исследуемой задачей в области жидких биожидкостей является течение крови в сердечно-сосудистой системе человека. При определенных математических условиях течение крови можно моделировать уравнениями Навье-Стокса. Цельную кровь in vivo обычно рассматривают как несжимаемую ньютоновскую жидкость. Однако это предположение перестает выполняться при рассмотрении прямого течения в артериолах. В микроскопическом масштабе влияние отдельных эритроцитов становится существенным, и цельную кровь нельзя больше моделировать как континуум. Когда диаметр кровеносного сосуда лишь незначительно превышает диаметр эритроцита, проявляется эффект Фареуса-Линдквиста, что приводит к уменьшению напряжения сдвига на стенке сосуда. Однако при дальнейшем уменьшении диаметра кровеносного сосуда эритроцитам приходится протискиваться через сосуд, часто проходя в один ряд. В этом случае наблюдается обратный эффект Фареуса-Линдквиста, и напряжение сдвига на стенке сосуда возрастает. Примером задачи, связанной с газообразными биожидкостями, является дыхание человека. В последнее время дыхательные системы насекомых изучаются в целях биомимикрии для разработки усовершенствованных микрофлюидных устройств.

Биотрибология

Биотрибология – это изучение трения, износа и смазывания в биологических системах, особенно в суставах человека, таких как тазобедренные и коленные. Как правило, эти процессы исследуются в рамках механики контакта и трибологии. Дополнительные аспекты биотрибологии включают анализ подповерхностных повреждений, возникающих при контакте двух поверхностей в движении, то есть при их трении друг о друга, например, при оценке хрящевой ткани, созданной методами тканевой инженерии.

Сравнительная биомеханика

Сравнительная биомеханика – это применение биомеханики к нечеловеческим организмам, будь то для получения более глубокого понимания человека (как в физической антропологии), или для изучения функций, экологии и адаптаций самих организмов. Типичными областями исследований являются передвижение и питание животных, поскольку они тесно связаны с жизнеспособностью организма и предъявляют к нему высокие механические требования. Передвижение животных проявляется в различных формах, включая бег, прыжки и полёт. Для передвижения требуется энергия для преодоления трения, сопротивления, инерции и гравитации, хотя доминирующий фактор меняется в зависимости от среды обитания. Сравнительная биомеханика тесно связана со многими другими областями, такими как экология, нейробиология, биология развития, этология и палеонтология, и часто публикации по этой теме появляются в журналах, посвященных этим областям. Сравнительная биомеханика широко применяется в медицине (в частности, при изучении модельных организмов, таких как мыши и крысы), а также в биомиметике, которая ищет в природе решения инженерных задач.

Вычислительная биомеханика

Вычислительная биомеханика – это применение инженерных вычислительных инструментов, таких как метод конечных элементов, для изучения механики биологических систем. Вычислительные модели и симуляции используются для прогнозирования взаимосвязей между параметрами, которые сложно проверить экспериментально, или для разработки более эффективных экспериментов, сокращающих время и затраты. Механическое моделирование с использованием анализа конечных элементов применялось для интерпретации экспериментальных данных о росте растительных клеток, чтобы понять механизмы их дифференцировки, например. Это привело к тому, что FE-моделирование (или другие методы дискретизации) стало широко распространенным во многих областях биомеханики, а ряд проектов даже перешли на философию открытого исходного кода (например, BioSpine) и SOniCS, а также используют платформы SOFA, FEniCS и FEBio. Вычислительная биомеханика является ключевым элементом в хирургическом моделировании, которое применяется для планирования операций, помощи хирургам во время операции и обучения. В этом случае численные (дискретизационные) методы используются для максимально быстрого вычисления реакции системы на граничные условия, такие как силы, тепло- и массообмен, электрические и магнитные воздействия.

Биомеханика континуума

Механический анализ биоматериалов и биожидкостей обычно осуществляется с использованием концепций механики сплошных сред. Это допущение перестает быть справедливым, когда рассматриваемые масштабы длины сопоставимы с размерами микроструктурных деталей материала. Одной из наиболее заметных особенностей биоматериалов является их иерархическое строение. Иными словами, механические свойства этих материалов определяются физическими процессами, происходящими на различных уровнях – от молекулярного и вплоть до тканевого и органного. Биоматериалы классифицируются на две группы: твердые и мягкие ткани. Механические деформации твердых тканей (таких как дерево, раковина и кость) могут быть проанализированы с помощью теории линейной упругости. В то же время, мягкие ткани (такие как кожа, сухожилия, мышцы и хрящи) обычно подвергаются значительным деформациям, поэтому их анализ опирается на теорию конечных деформаций и компьютерное моделирование. Интерес к континуумной биомеханике обусловлен необходимостью достижения реалистичности при разработке медицинских симуляторов.

Нейромеханика

Нейромеханика использует биомеханический подход для более глубокого понимания взаимодействия мозга и нервной системы в управлении движениями тела. При выполнении двигательной задачи двигательные единицы активируют определенный набор мышц для осуществления конкретного движения, которое может изменяться посредством двигательной адаптации и обучения. В последние годы проведение нейромеханических экспериментов стало возможным благодаря сочетанию систем захвата движения и нейронных записей.

Биомеханика растений

Применение биомеханических принципов к растениям, органам растений и клеткам привело к формированию отдельной области – биомеханики растений. Область применения биомеханики в отношении растений охватывает широкий спектр исследований, от изучения устойчивости сельскохозяйственных культур к воздействию факторов окружающей среды до изучения развития и морфогенеза на клеточном и тканевом уровнях, что пересекается с механобиологией.

Спортивная биомеханика

В спортивной биомеханике законы механики применяются к движению человека для более глубокого понимания спортивных результатов и снижения риска спортивных травм. Она фокусируется на применении научных принципов механической физики для анализа движений человеческого тела и спортивного инвентаря, такого как бита для крикета, хоккейная клюшка и копье и т.д. В спортивной биомеханике широко используются элементы машиностроения (например, тензодатчики), электротехники (например, цифровые фильтры), компьютерных наук (например, численные методы), анализа походки (например, платформы для измерения силы) и клинической нейрофизиологии (например, поверхностная ЭМГ). Биомеханика в спорте определяется как мышечные, суставные и скелетные действия организма при выполнении конкретной задачи, навыка или техники. Глубокое понимание биомеханики, связанной со спортивными навыками, оказывает наибольшее влияние на: спортивные результаты, реабилитацию, профилактику травм и достижение спортивного мастерства. Как отметил доктор Майкл Йессис, можно сказать, что лучший спортсмен – это тот, кто наиболее эффективно реализует свои навыки.

Биомеханика сосудов

Основными темами сосудистой биомеханики является описание механического поведения сосудистых тканей. Общеизвестно, что сердечно-сосудистые заболевания являются ведущей причиной смерти во всем мире. Сосудистая система в организме человека – ключевой компонент, обеспечивающий поддержание давления, кровоток и химический обмен. Изучение механических свойств этих сложных тканей способствует лучшему пониманию сердечно-сосудистых заболеваний и значительному прогрессу в персонализированной медицине. Сосудистые ткани неоднородны и демонстрируют ярко выраженное нелинейное поведение. Как правило, такие исследования включают в себя сложную геометрию, сложные условия нагружения и характеристики материалов. Точное описание этих механизмов базируется на изучении физиологии и биологических взаимодействий. Поэтому необходимо изучать механику сосудистой стенки и гемодинамику, а также их взаимодействие. Важно также учитывать, что сосудистая стенка – это динамичная структура, находящаяся в постоянной эволюции. Эта эволюция напрямую зависит от химической и механической среды, в которой находятся ткани, например, от напряжения сдвига на стенке сосуда или биохимической сигнализации.

Античность

Аристотель, ученик Платона, может считаться первым биомехаником благодаря своим работам по анатомии животных. Аристотель написал первую книгу о движении животных, De Motu Animalium, или «О движении животных». Он рассматривал тела животных как механические системы и исследовал такие вопросы, как физиологическое различие между представлением о выполнении действия и его фактическим осуществлением. В другом труде, «О частях животных», он дал точное описание того, как мочеточник использует перистальтику для транспортировки мочи от почек к мочевому пузырю.

Ренессанс

Следующий крупный специалист в области биомеханики появился в 1490-х годах с исследованиями анатомии человека и биомеханики, проведенными Леонардо да Винчи. Он обладал глубоким пониманием науки и механики и изучал анатомию в контексте механики. Он анализировал мышечные силы и движения, а также изучал функции суставов. Эти исследования можно рассматривать как исследования в области биомеханики. Леонардо да Винчи изучал анатомию, рассматривая её в контексте механики. Он анализировал мышечные силы, действующие вдоль линий, соединяющих места их начала и прикрепления, и изучал функции суставов. Да Винчи также известен тем, что имитировал некоторые особенности животных в своих машинах. Например, он изучал полет птиц, чтобы найти способы, с помощью которых люди могли бы летать; и поскольку лошади были основным источником механической энергии в то время, он изучал их мышечные системы для разработки машин, которые могли бы лучше использовать силы, приложенные этим животным. В 1543 году труд Галена «О функциях частей» был оспорен Андреасом Везалием в возрасте 29 лет. Везалий опубликовал свою собственную работу под названием «О строении человеческого тела». В этой работе Везалий исправил многие ошибки, допущенные Галеном, которые не получили всеобщего признания на протяжении многих веков. Со смертью Коперника возникло новое стремление понять и изучить окружающий мир и принципы его работы. На смертном одре он опубликовал свой труд «Об обращениях небесных сфер». Эта работа произвела революцию не только в науке и физике, но и в развитии механики, а впоследствии и биомеханики. Его труд часто считается самым важным в истории биомеханики, поскольку он сделал множество новых открытий, которые открыли путь для будущих поколений, чтобы продолжить его работу и исследования. Прошло много лет после работ Борелли, прежде чем биомеханика достигла значительных успехов. После этого все больше ученых стали изучать человеческое тело и его функции. В биомеханике не так много выдающихся ученых XIX или XX века, поскольку эта область сейчас слишком обширна, чтобы заслуги можно было приписать одному человеку. Однако эта область продолжает расти с каждым годом и добиваться успехов в изучении человеческого тела. Благодаря популярности этой области, за последнее столетие было открыто множество институтов и лабораторий, где продолжаются исследования. С созданием Американского общества биомеханики в 1977 году эта область продолжает развиваться и делать новые открытия.