Βιομηχανική

Βιομηχανική είναι η μελέτη της δομής και της λειτουργίας των βιολογικών συστημάτων όπως των ανθρώπων, των ζώων, των φυτών, των οργάνων, των μυκητών, και των κυττάρων μέσω των μεθόδων της μηχανικής.

Ετυμολογία

Η λέξη «βιομηχανική» (ουσιαστικό, 1899) και η σχετική «βιομηχανικός» (επίθετο, 1856) από τις αρχαιοελληνικές λέξεις βίος (ζωή) και μηχανική, αναφέρονται στην μελέτη των μηχανικών αρχών των ζωντανών οργανισμών, και πιο συγκεκριμένα της κίνησης και της δομής τους.

Μεθοδολογία

Η βιομηχανική είναι στενά συνδεδεμένη με την μηχανική, επειδή χρησιμοποιεί συχνά τις παραδοσιακές επιστήμες της μηχανικής για την ανάλυση των βιολογικών συστημάτων. Μερικές απλές εφαρμογές της Νευτώνειας μηχανικής και/ή των επιστημών των υλικών μπορούν να αποδώσουν ορθές προσεγγίσεις στην μηχανική πολλών βιολογικών συστημάτων. Η εφαρμοσμένη μηχανική, με πιο αξιοσημείωτους τους κλάδους της μηχανολογίας όπως η μηχανική συνεχούς, η ανάλυση των μηχανισμών, η δομική ανάλυση, η κινητική και οι δυναμική έχουν σημαντικό ρόλο στην μελέτη της βιομηχανικής.
Συνήθως τα βιολογικά συστήματα είναι πολύ πιο περίπλοκα από τα συστήματα που κατασκευάζει ο άνθρωπος. Ως εκ τούτου εφαρμόζονται αριθμητικές αναλύσεις σε σχεδόν κάθε βιομηχανική μελέτη. Η έρευνα πραγματοποιείται σε μια επαναληπτική διαδικασία υπόθεσης και απόδειξης, στην οποία περιλαμβάνονται μερικά βήματα μοντελοποίησης, προσομοίωσης μέσω υπολογιστή και πειραματικών μετρήσεων.

Αθλητική βιομηχανική

Στην αθλητική βιομηχανική, οι νόμοι της μηχανικής εφαρμόζονται στην ανθρώπινη κίνηση ώστε κατανοηθούν καλύτερα οι αθλητικές επιδόσεις και επίσης να μειωθούν οι αθλητικοί τραυματισμοί. Εστιάζει στην εφαρμογή των επιστημονικών αρχών της μηχανικής φυσικής στην κατανόηση των κινήσεων της δράσης των ανθρώπινων σωμάτων και των αθλητικών οργάνων, όπως το ρόπαλο του κρίκετ, η ράβδος του χόκεϊ, το ακόντιο και άλλα. Στοιχεία της μηχανολογίας (π.χ. μηκυνσιόμετρα), της ηλεκτρολογικής μηχανικής (π.χ. ψηφιακό φιλτράρισμα), της επιστήμης των υπολογιστών (π.χ. αριθμητικές αναλύσεις), της ανάλυσης του βαδίσματος (π.χ. δυναμικές πλατφόρμες), και της κλινικής νευροφυσιολογίας (π.χ. επιφάνεια EMG) είναι συνηθισμένες μέθοδοι στην αθλητική βιομηχανική.
Η βιομηχανική στα αθλήματα μπορεί να δηλωθεί ως οι μυικές, αρθρωτικές και σκελετικές κινήσεις του σώματος κατά την διάρκεια της άσκησης για έναν σκοπό, ικανότητα και/ή τεχνική. Η κατάλληλη κατανόηση της βιομηχανικής σχετικά με τις αθλητικές ικανότητες έχει τις σημαντικότερες επιπτώσεις στα εξής: αθλητικές επιδόσεις, επανόρθωση και πρόληψη τραυματισμών, μαζί με την δεξιοτεχνία του αθλήματος. Όπως σημειώνεται από τον Μάικλ Γιέσις, κάποιος μπορεί να πει πως ο καλύτερος αθλητής είναι αυτός που εκτελεί τις ικανότητες του/της με τον καλύτερο τρόπο.

Βιομηχανική συνεχούς

Η μηχανική ανάλυση των βιοϋλικών και των βιορευστών αναλύεται κυρίως μέσω των εννοιών της μηχανικής συνεχούς. Αυτή η παραδοχή δεν έχει ισχύ όταν οι κλίμακες μήκους του ενδιαφέροντος πλησιάζουν την τάξη των μικροδομικών λεπτομερειών του υλικού. Ένα από τα πιο αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά των βιοϋλικών είναι η ιεραρχική δομή τους. Με άλλα λόγια, τα μηχανικά χαρακτηριστικά αυτών των υλικών στηρίζονται στα φυσικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα σε πολλαπλά επίπεδα, από τα μοριακά έως τα επίπεδα των ιστών και των οργάνων.
Τα βιοϋλικά ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες, τους σκληρούς και τους μαλακούς ιστούς. Η μηχανική αποδόμηση των σκληρών ιστών (όπως το ξύλο, το κοχύλι, και το οστό) μπορεί να αναλυθεί μέσω της θεωρίας της γραμμικής ελαστικότητας. Από την άλλη πλευρά, οι μαλακοί ιστοί (όπως το δέρμα, ο τένοντας, ο μυς και ο χόνδρος) συνήθως υφίστανται μεγάλες αποδομήσεις και έτσι η ανάλυση τους στηρίζεται στην θεωρία πεπερασμένης έντασης και προσομοιώσεις μέσω υπολογιστών. Το ενδιαφέρον στη βιομηχανική συνεχούς ωθείται από την ανάγκη για ρεαλισμό στην ανάπτυξη ιατρικής προσομοίωσης.

Μηχανική βιορευστών

Η μηχανική των βιολογικών ρευστών, ή μηχανική βιορευστών, είναι η μελέτη τόσο των αέριων όσο και υγροποιημένων ρευστών μέσα ή γύρω από τους βιολογικούς οργανισμούς. Ένα πρόβλημα των υγροποιημένων βιορευστών που μελετάται συχνά είναι η ροή του αίματος στο ανθρώπινο καρδιαγγειακό σύστημα. Υπό συγκεκριμένες μαθηματικές περιστάσεις, η ροή του αίματος μπορεί να μοντελοποιηθεί μέσω των εξισώσεων Ναβιέρ-Στόουκς. Στους ζωντανούς οργανισμούς το πλήρες αίμα υποτίθεται πως είναι ασυμπίεστο Νευτώνειο ρευστό. Ωστόσο, η θεώρηση αυτή καταρρίπτεται όταν θεωρηθεί πως η ροή γίνεται μέσω των αρτηριδίων. Σε μικροσκοπική κλίμακα, οι συνέπειες των ατομικών ερυθρών αιμοσφαιρίων γίνονται σημαντικές, και το πλήρες αίμα δεν μπορεί να μοντελοποιηθεί ως συνεχές. Όταν η διάμετρος των αιμοφόρων αγγείων είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από την διάμετρο των ερυθρών αιμοσφαιρίων λαμβάνει χώρα το φαινόμενο Φέιρεας-Λίντκβιστ και σημειώνεται μείωση στην διατμητική τάση των τοιχομάτων. Όμως, καθώς η διάμετρος των αιμοφόρων αγγείων μειώνεται περεταίρω, τα ερυθρά αιμοσφαίρια πρέπει να συμπιεστούν στο αγγείο και ορισμένες φορές να περνούν σε μια σειρά. Στην περίπτωση αυτή, συμβαίνει το αντίστροφο του φαινομένου Φέιρεας-Λίντκβιστ και η διατμητική πίεση των τοιχομάτων αυξάνεται.
Ένα παράδειγμα προβλήματος αεροποιημένων βιορευστών είναι η ανθρώπινη αναπνοή. Πρόσφατα, έχουν μελετηθεί τα αναπνευστικά συστήματα των εντόμων για την βιοανάσα και τον σχεδιασμό μικρορροϊκών συσκευών.

Βιοτριβολογία

Οι κύριες πτυχές της μηχανικής επαφής και της τριβολογίας σχετίζονται με την τριβή, την φθορά και την λίπανση. Όταν οι δύο επιφάνειες έρχονται σε επαφή κατά την διάρκεια της κίνησης π.χ. όταν τρίβονται μεταξύ τους, η ανάλυση των φαινομένων της τριβής, της φθοράς και της λίπανσης είναι πολύ σημαντική ώστε να προσδιοριστεί η επίδοση του υλικού. Η βιοτριβολογία είναι η μελέτη της τριβής, της φθοράς και της λείανσης βιολογικών συστημάτων ειδικά των αρθρώσεων των ανθρώπων όπως στους γοφούς και τα γόνατα. Για παράδειγμα, τα μέρη των μηρών και των κνημών των εμφυτευμάτων γονάτου τρίβονται τακτικά μεταξύ τους κατά την διάρκεια της καθημερινής δραστηριότητας όπως το περπάτημα ή η ανάβαση σκαλιών. Εάν η επίδοση του μέρους της κνήμης χρειάζεται να αναλυθεί, οι αρχές της βιοτριβολογίας χρησιμοποιούνται για να καθοριστεί η επίδοση της φθοράς του εμφυτεύματος και των φαινομένων λίπανσης των αρθρικών υγρών. Επιπροσθέτως, η θεωρία της μηχανικής επαφής είναι σημαντική στην ανάλυση της φθοράς. Σε επιπλέον πτυχές της βιοτριβολογίας μπορούν να περιληφθούν η ανάλυση των καταστροφών της υποεπιφάνειας που έρχονται σε επαφή κατά την διάρκεια κίνησης, λ.χ. όταν τρίβονται μεταξύ τους, όπως κατά την εξέλιξη μηχανικών ιστών των χόνδρων.

Συγκριτική βιομηχανική

Η συγκριτική βιομηχανική είναι η εφαρμογή της βιομηχανικής σε μη ανθρώπινους οργανισμούς, είτε χρησιμοποιείται για την απόκτηση μεγαλύτερης επίγνωσης στους ανθρώπους (όπως στην φυσική ανθρωπολογία) ή στις λειτουργίες, την οικολογία και την προσαρμογή των ιδίων των οργανισμών. Συνήθεις περιοχές έρευνας είναι η κίνηση και η διατροφή των ζώων, μιας και διαθέτουν ισχυρούς δεσμούς με την καταλληλότητα των οργανισμών ώστε να επιβάλονται μεγάλες μηχανικές απαιτήσεις. Η κίνηση των ζώων, έχει διάφορες εκδοχές, στις οποίες περιλαμβάνονται το τρέξιμο, το άλμα και το πέταγμα. Η κίνηση απαιτεί ενέργεια για την καταβολή της τριβής, της αντίστασης, της αδράνειας και της βαρύτητας, αν και ο κάθε παράγοντας υπερισχύει του περιβάλλοντος.
Η συγκριτική βιομηχανική επικαλύπτει σε μεγάλο βαθμό πολλά άλλα πεδία, περιλαμβανομένης της οικολογίας, της νευροβιολογίας, της αναπτυξιακής βιολογίας, της ηθολογίας και της παλαιοντολογίας, σε τέτοιο βαθμό που είναι συνηθισμένο να εκδίδονται εργασίες σε επιστημονικά περιοδικά αυτών των πεδίων. Η συγκριτική βιομηχανική εφαρμόζεται συχνά στην ιατρική (σε σχέση με συνηθισμένα μοντέλα οργανισμών όπως τα ποντίκια και οι αρουραίοι) όπως και στην βιομιμητική, η οποία ζητά λύσεις σε μηχανικά προβλήματα από την φύση.

Φυτική βιομηχανική

Η εφαρμογή των αρχών της βιομηχανικής στα φυτά και τα όργανά τους έχει αναπτυχθεί στο υποπεδίο της φυτικής βιομηχανικής.

Υπολογιστική βιομηχανική

Στις αρχές του 21ου αιώνα η μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων έχει γίνει καθιερωμένη εναλλακτική στις χειρουργικές εκτιμήσεις των εν ζωή οργανισμών. Το κύριο πλεονέκτημα της Υπολογιστικής Βιομηχανικής εναπόκειται στην δυνατότητα της να καθορίσει την ενδοανατομική απόκριση μιας ανατομίας, δίχως να γίνεται θέμα ηθικών περιορισμών. Το γεγονός αυτό οδήγησε την μοντελοποίηση πεπερασμένων στοιχείων στο σημείο του να αποκτήσει παρουσία σε πολλά πεδία της Βιομηχανικής ενώ πολλά προγράμματα υιοθέτησαν φιλοσοφία ανοιχτού κώδικα (όπως το BioSpine).

Αρχαιότητα

Ο Αριστοτέλης έγραψε το πρώτο βιβλίο για την κίνηση των ζώων, το De Motu Animalium, ή Περί ζώων κινήσεων. Δεν θεώρησε μόνο τα σώματα των ζώων ως μηχανικά συστήματα, αλλά επιδίωξε την απάντηση ερωτημάτων, όπως για την φυσιολογική διαφορά μεταξύ της φανταστικής εκτέλεσης μιας πράξης και της πραγματικής εκτέλεσης της. Σε ένα άλλο έργο, το Περί ζώων μορίων, παρείχε μια ακριβή περιγραφή του πως ο ουρητήρας χρησιμοποιεί την περίσταλση για να μεταφέρει τα ούρα από τα νεφρά στην κύστη.

Αναγέννηση

Ο Λεονάρντο ντα Βίντσι μελέτησε την ανατομία στο πλαίσιο της μηχανικής. Ανέλυσε τις μυικές δυνάμεις ως να δρουν σε γραμμές που συνδέουν την πηγή και την εισαγωγη, και μελέτησε την λειτουργία των αρθρώσεων. Ο ντα Βίντσι έτεινε να μιμείται μερικά χαρακτηριστικά των ζώων στις μηχανές του. Για παράδειγμα, μελέτησε το πέταγμα των πουλιών για να βρει μέσα με τα οποία θα μπορούσαν να πετάξουν οι άνθρωποι, και επειδή τα άλογα ήταν η κύρια πηγή μηχανικής ισχύος την εποχή εκείνη, μελέτησε τα μυικά τους συστήματα για να σχεδιάσει μηχανές οι οποίες θα μπορούσαν να επωφεληθούν καλύτερα τις δυνάμεις που ασκούνται στο ζώο αυτό.
Ο Γαλιλαίος Γαλιλέι έδειξε ενδιαφέρον στην δύναμη των οστών και πρότεινε την ιδέα πως τα οστά αυτά είναι κοίλα επειδή αυτό δίνει την δυνατότητα για μεγαλύτερη δύναμη με το ελάχιστο βάρος. Σημείωσε πως οι μάζες των οστών των ζώων αυξάνονται δυσανάλογα με το μέγεθός τους. Συνεπώς, τα οστά πρέπει να αυξάνονται δυσανάλογα σε περιφέρεια και όχι μόνο σε μέγεθος. Αυτό συμβαίνει λόγω του γεγονότος πως η δύναμη κάμψης μιας σωληνοειδούς δομής (όπως το οστό) είναι πολύ πιο αποτελεσματική όταν σχετίζεται με το βάρος του. Ο Μέισον δηλώνει πως αυτή η διορατικότητα ήταν ένα από τα πρώτα βασικά σημεία των αρχών της βιολογικής βελτιστοποίησης.
Τον 16ο αιώνα, ο Καρτέσιος πρότεινε ένα φιλοσοφικό σύστημα στο οποίο όλα τα ζωντανά συστήματα, συμπεριλαμβανομένου και του ανθρωπίνου σώματος (αλλά όχι η ψυχή του), είναι απλώς μηχανές που διέπονται από τους ίδιους νόμους της μηχανικής, μια ιδέα που ήταν αρκετή για την προώθηση και την υποστήριξη της βιομηχανικής μελέτης. Ο Τζοβάνι Αλφόνσο Μπορέλι αγκάλιασε αυτή την ιδέα και μελέτησε το περπάτημα, το τρέξιμο, τα άλματα, το πέταγμα των πουλιών, το κολύμπι των ψαριών, και ακόμη την δράση των καρδιακών εμβόλων εντός μηχανικού πλαισίου. Μπορούσε να προσδιορίσει την θέση του ανθρώπινου κέντρου βάρους, να υπολογίσει και να μετρήσει τον όγκο του αέρα που εισπνέεται και εκπνέεται, και απέδειξε πως η εισπνοή καθοδηγείται από τους μύες και η εκπνοή εξαρτάται από την ελαστικότητα των ιστών. Ο Μπορέλι ήταν ο πρώτος που κατανόησε πως οι λοστοί του μυοσκελετικού συστήματος μεγαλώνουν με την κίνηση παρά με την δύναμη, έτσι οι μύες πρέπει να παράγουν πολύ μεγαλύτερες δυνάμεις από αυτές που αντιστέκονται στην κίνηση. Επηρεασμένος από το έργο του Γαλιλαίου, τον οποίο γνώριζε προσωπικά, διέθετε ενστικτώδη κατανόηση της στατικής ισορροπίας σε διάφορες αρθρώσεις του ανθρωπίνου σώματος πολύ πριν ο Νεύτωνας δημοσιεύσει τους νόμους της κίνησης.

Βιομηχανική επανάσταση

Τον 19ο αιώνα ο Ετιέν-Ζυλ Μάρεϊ χρησιμοποίησε την κινηματογραφία για να ερευνήσει επιστημονικά την κίνηση. Άνοιξε το πεδίο της σύγχρονης «κινητικής ανάλυσης» ώντας ο πρώτος που συσχέτισε τις δυνάμεις αντίστασης του εδάφους με την κίνηση. Στην Γερμανία, οι αδελφοί Ερνστ Χάινριχ Βέμπερ και Βίλχελμ Έντουαρντ Βέμπερ υπέθεσαν μια σημαντική θεωρία για το ανθρώπινο βάδισμα, αλλά ήταν ο Κρίστιαν Βίχελμ Μπράουνε ο οποίος προώθησε σημαντικά την επιστήμη χρησιμοποιώντας τις πρόσφατες εξελίξεις στην μηχανολογία. Κατά την ίδια περίοδο, η μηχανολογία των υλικών άρχισε να ακμάζει σε Γαλλία και Γερμανία εν μέσω των απαιτήσεων της βιομηχανικής επανάστασης. Αυτό οδήγησε στην αναγέννηση της βιομηχανικής των οστών όταν ο μηχανικός σιδηροδρόμων Καρλ Κάλμαν και ο ανατόμος Χέρμαν φον Μέγιερ συνέκριναν τα πρότυπα της πίεσης στο ανθρώπινο μηριαίο οστό με αυτά σε ενός παρομοίου σχήματος από πελαργό. Επνευσμένος από αυτό το εύρημα ο Γιούλιους Βολφ πρότεινε τον περίφημο νόμο του Βολφ για την αναδιαμόρφωση των οστών.

Εφαρμογές

Η μελέτη της βιομηχανικής εκτείνεται από τις εσωτερικές διεργασίες ενός κυττάρου μέχρι την κίνηση και την ανάπτυξη των άκρων, τις μηχανικές ιδιότητες ενός μαλακού ιστού, και τα οστά. Σε μερικά απλά παραδείγματα βιομηχανικής έρευνας περιλαμβάνεται η έρευνα των δυνάμεων που ασκούνται στα άκρα, η αεροδυναμική του πετάγματος των πτηνών και των εντόμων, η υδροδυναμική της κολύμβησης των ψαριών, και η κίνηση γενικά σε όλες τις μορφές ζωής, από τα απλά κύτταρα έως ολόκληρους οργανισμούς. Η βιομηχανική των ανθρωπίνων όντων είναι βασικό μέρος της κινησιολογίας. Καθώς αναπτύσσεται μια καλύτερη κατανόηση της φυσιολογικής συμπεριφοράς των ζωντανών ιστών, οι ερευνητές έχουν την δυνατότητα να πραγματοποιήσουν πρόοδο στην μηχανική των ιστών, καθώς και την ανάπτυξη βελτιωμένων θεραπειών για μεγάλο εύρος παθολογιών.
Η βιομηχανική εφαρμόζεται ακόμη στην μελέτη των ανθρωπίνων μυοσκελετικών συστημάτων. Αυτού του είδους η έρευνα χρησιμοποιεί δυναμικές πλατφόρμες για την μελέτη των δυνάμεων αντίστασης του εδάφους στον άνθρωπο και υπέρυθρη βιντεογραφία για την καταγραφή των τροχιών των σημαδιών που βρίσκονται στο ανθρώπινο σώμα για την τρισδιάστατη μελέτη της ανθρώπινης κίνησης. Στην έρευνα εφαρμόζονται ακόμη συστήματα ηλεκτρομυογραφίας (EMG) για την μελέτη των μυικής ενεργοποίησης. Μέσω αυτού, γίνεται δυνατή η έρευνα των μυικών αποκρίσεων στις εξωτερικές δυνάμεις καθώς και τις διαταραχές.
Η βιομηχανική χρησιμοποείται ευρύτατα στην ορθοπεδική βιομηχανία για τον σχεδιασμό ορθοπεδικών εμφυτευμάτων για ανθρώπινες αρθρώσεις, οδοντικών τμημάτων, εξωτερικών στερεωμάτων και για άλλους ιατρικούς σκοπούς. Η βιοτριβολογία είναι πολύ σημαντικό μέρος της. Πρόκειται για την μελέτη των επιδόσεων και των λειτουργιών των βιοϋλικών που χρησιμοποιούνται σε ορθοπεδικά εμφυτεύματα. Είναι ζωτικής σημασίας για την βελτίωση του σχεδιασμού και την κατασκευή επιτυχημένων βιοϋλικών για ιατρικούς και κλινικούς σκοπούς. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι ο ιστομηχανικός χόνδρος.