生物力學

生物力學（biomechanics）是一門利用力學方法研究生物系統的結構、功能、運動的學科，包括從整個生物體到器官、細胞、細胞器的任何層次，屬生物物理學的一個分支。

## 來源

「生物力學」（1899年）和相關的「生物力學技術」（1856年），來自古希臘 βίοςBIOS「生命」和μηχανική，mēchanikē「力學」，指的生物體的機械和熱力學原理的研究，特別是其運動和結構。

## 分支

### 生物流體力學

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生物流體力學，是研究生物有機體內或周圍的氣體和液體流體。經常研究的對象是液體，包括人類心血管系統中的血流。在某些數理條件下，血流可以通過Navier-Stokes方程建模。有人認為體內 全部血液可以被假設是不可壓縮的牛頓流體。然而，當考慮小動脈內的前向流動時，該假設不成立。在微觀尺度上，個體紅細胞的影響變得顯著，並且全血不能再被建模為連續體。當血管的直徑略大於紅細胞的直徑時，發生Fahraeus-Lindquist效應並且壁剪切力降低。然而，隨著血管直徑的進一步減小，紅細胞必須擠過血管並且通常只能通過單個。在這種情況下，發生反Fahraeus-Lindquist效應並且血管壁剪切應力增加。

氣體生物流體問題的一個例子是人類呼吸。最近，已經研究了昆蟲中的呼吸系統用於生物吸入以設計改進的微流體裝置。

### 生物摩擦學

接觸力學和摩擦學的主要方面與摩擦，磨損和潤滑有關。當兩個表面在運動期間接觸，即相互摩擦時，摩擦，磨損和潤滑效果對於分析非常重要，以便確定材料的性能。生物摩擦學是一項研究生物系統的摩擦，磨損和潤滑，尤其是人體關節，如臀部和膝蓋。例如，膝關節植入物的股骨和脛骨組件在日常活動（例如步行或爬樓梯）期間經常互相摩擦。如果需要分析脛骨組件的性能，則使用生物摩擦學原理來確定植入物的磨損性能和滑液的潤滑效果。此外，本分支所研究的接觸力學理論對於生物材料磨損分析也非常重要。生物摩擦學的其他方面還可以分析包括在運動期間接觸的兩個表面引起的表面下損傷，即相互摩擦損傷，例如在組織工程中軟骨磨損的評估中。

### 比較生物力學

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比較生物力學是生物力學在部分非人類生物體中的應用，無論是用於獲得對人類的更深入的見解（如在物理人類學中），還是用於生物體本身的功能、生態分布和適應性。常見的調查領域是動物運動和餵食，因為它們與生物體的適應性有很強的聯繫，並且具有很高的機械要求。動物運動，有許多表現形式，包括跑步，跳躍和飛行。運動需要能量來克服摩擦，阻力，慣性和重力，其主要因素因環境而異。

比較生物力學與許多其他領域強烈重疊，包括生態學，神經生物學，發育生物學，行為學和古生物學。比較生物力學通常應用於醫學（關於常見模式生物，例如小鼠和大鼠）和仿生學，其尋求解決工程問題的性質。

### 計算生物力學

計算生物力學是應用計算科學工具，如微積分來研究生物系統的力學。計算模型和模擬用於預測參數之間的關係，這些參數對於實驗測試具有挑戰性，或者用於設計更相關的實驗，從而減少實驗的時間和成本。例如，使用數學分析的機械建模已被用於解釋植物細胞生長的實驗觀察以理解它們如何區分。在醫學方面，在過去十年中，數學分析已成為體內外科評估的既定替代方法。計算生物力學的主要優點之一在於其能夠確定解剖結構的內部解剖學響應，而不受倫理限制。這導致微分方程模型在生物力學的幾個領域變得無處不在，而有幾個項目甚至採用了無限積分。

### 連續生物力學

生物材料和生物流體的機械分析通常採用流體力學的概念進行。當感興趣的長度尺度接近材料的微觀結構細節的順序時，該假設被破壞。生物材料最顯著的特徵之一是它們的層次結構。換句話說，這些材料的機械特性依賴於從分子一直到組織和器官水平的多個層次發生的理化現象。

生物材料分為兩種，硬性和柔性的組織。機械變形的硬組織(如 木材, 殼 和 骨)，可以進行線性分析，軟組織(如 皮膚, 肌腱, 肌肉 和 骨軟骨)通常進行大的變形，因此他們的分析依賴於微積分數學和電腦模擬。

### 植物力學

生物力學原理在植物，植物器官和細胞中的應用已發展成植物力學的子領域。生物力學在植物中的應用範圍從研究作物的恢復力到環境脅迫到細胞和組織規模的發育和形態發生，與機械生物學有一定重疊。

### 運動生物力學

在運動生物力學中，力學定律適用於人體運動，以便更好地理解運動表現並減少運動損傷和提高運動表現。它側重於機械原理的應用，以了解人體和運動器具的協調與變化。機械工程的元素（如應變儀），電氣工程 （如，數字濾波），電腦科學 （例如，數值方法），步態分析（例如，力平台）和臨床神經生理學（例如：表面肌電圖）是運動生物力學中常用的知識或方法。

運動中的生物力學可以表示為在執行給定任務，技能和/或技術期間身體的肌肉，關節和骨骼動作。正確理解與運動技能相關的生物力學具有重大的意義：運動的表現，康復和傷害預防，以及運動技能。正如Michael Yessis博士所指出的，最好的運動員是最能發揮其身體潛能的運動員。

### 生物力學的其他應用子領域包括

- 異速生長
- 動物運動和步態分析
- 人體工程學
- 法醫生物力學
- 人因工程與職業生物力學
- 傷害生物力學
- 植入（醫學），矯形器和假體
- 運動學 （動力學+生理學）
- 肌肉骨骼和骨科生物力學
- 復原
- 柔軟的身體動態

## 歷史

### 古代

柏拉圖的學生亞里斯多德可以被認為是第一個生物機械師，因為他的動物解剖學工作。亞里斯多德寫了第一本關於動物運動的書， De Motu Animalium或On the Animals of Animals。他不僅將動物的身體視為機械系統，而且追求諸如想像表演和實際行動之間的生理差異等問題。在另一部作品「動物的部位」中，他準確描述了輸尿管如何使用蠕動將尿液從腎臟運送到膀胱。

隨著羅馬帝國的興起，技術變得比哲學更受歡迎，並且下一代有關生物機制的學說出現了。Galen （公元129年 - 公元210年）， Marcus Aurelius的醫生，撰寫了他的著名著作「關於人體的功能」（關於人體）。這將是未來1400年的世界標準醫學書籍。

### 發展

隨著萊昂納多達文西的誕生，下一個主要的生物力學時期在1452年左右出現。達文西是一位藝術家，機械師和工程師。他為機械，軍事和土木工程項目做出了貢獻。他對科學和力學有很好的理解，並在力學背景下研究解剖學。他分析了肌肉力量和運動，並研究了關節功能。這些研究可以被認為是生物力學領域的研究。達文西傾向於模仿他機器中的一些動物特徵。例如，他研究了鳥類的飛行，以找到人類可以飛行的方法;因為馬是當時機械動力的主要來源，他研究了他們的肌肉系統來設計能夠更好地受到這種動物施加的力量的機器。

1543年，蓋倫的作品「部件的功能」受到了29歲的安德烈亞斯·維薩利烏斯的挑戰。維薩利斯出版了他自己的作品「人體結構」。在這項工作中，Vesalius糾正了Galen所犯的延續了幾個世紀的許多錯誤。哥白尼日心說的出現也改變了力學和後來的生物力學的發展。

伽利略是機械師也是生物力學之父，在哥白尼去世21年後誕生。伽利略在醫學院度過了許多年，經常質疑他教授所教的一切。他發現教授們無法證明他們所教的內容，因此他轉向數學，必須證明一切。然後，在25歲時，他去了比薩並教數學。他是一位非常優秀的講師，學生們會讓其他教師聽他說話，所以他被迫辭職。然後，他成為帕多瓦一所更有聲望的學校的教授。他的精神和教導將再次引領世界走向科學的方向。在他多年的科學研究中，伽利略已經將許多生物力學方面都知道了。例如，他發現了這一點 「動物的體重與它們的大小不成比例地增加，因此它們的骨骼也必須不成比例地增加周長，適應承重而不僅僅是尺寸。管狀結構如骨骼的彎曲強度相對於其重量增加了空心的，增加直徑。海洋動物可能比陸地動物大，因為水的浮力減輕了它們的重量。「

Galileo Galilei對骨骼的強度感興趣，並提出觀點：骨骼是空心的。因為這樣可以在最小的重量下提供最大的力量。他指出，動物的骨量與其大小不成比例地增加。因此，骨骼也必須在周長方面不成比例地增加，而不僅僅是大小。這是因為管狀結構（例如骨）的彎曲強度相對於其重量更為有效。

在16世紀，笛卡爾提出了一種哲學體系，即所有生命系統，包括人體，都是由相同的機械法則統治的機器，這一理念在促進和維持生物力學研究方面做了很多工作。Giovanni Alfonso Borelli接受了這個想法，研究了行走，跑步，跳躍，鳥類飛行，魚類游動，甚至是機械框架內心臟的活塞動作。他可以確定人體重心的位置，計算和測量吸氣和呼氣量，並顯示吸氣是肌肉驅動的，呼氣是由組織彈性引起的。Borelli是第一個明白肌肉骨骼系統的槓桿放大運動而非力量的人，因此肌肉必須產生比抵抗運動的力更大的力量。受到他個人認識的伽利略工作的影響，他在牛頓公布運動定律之前就對人體各個關節的靜態平衡有了直觀的理解。

### 工業時代

下一個主要的生物力學家Giovanni Alfonso Borelli是第一個理解「肌肉系統的槓桿放大運動而非力量，因此肌肉必須產生比抵抗運動更大的力量」的人。Borelli利用伽利略的作品並從中汲取靈感，找出了人體各種關節平衡所需的力量。他甚至發現了人體的重心和空氣量 肌肉彈性。他的作品通常被認為是生物力學史上最重要的作品，因為他創造了許多新的發現，為後代繼續他的工作和學習開闢了道路。

Borelli在生物力學領域取得任何重大飛躍之前很多年。在那之後，越來越多的科學家開始學習人體及其功能。19世紀或20世紀沒有很多著名的科學家在生物力學方面，因為現在這個領域太過龐大，無法將一件事歸於一個人。然而，該領域每年都在繼續增長，並且在發現更多關於人體的方面繼續取得進展。由於該領域變得如此受歡迎，許多機構和實驗室在上個世紀對人們開放，人們繼續進行研究。隨著1977年美國生物力學學會的成立，該領域不斷發展並取得了許多新的發現。

在19世紀， Étienne-Jules Marey使用電影技術來科學地研究運動。他首先將地面反作用力與運動聯繫起來，開啟了現代「運動分析」領域。在德國，恩斯特·海因里希·韋伯兄弟和威廉·愛德華 ·韋伯兄弟對人類步態進行了大量假設，但是使用最近在工程力學方面取得進步的科學家克里斯蒂安·威廉·布勞恩 （Christian Wilhelm Braune）大大推進了科學研究。在同一時期，在工業革命的要求下，材料的工程力學開始在法國和德國蓬勃發展。當鐵路工程師 Karl Culmann和解剖學家Hermann von Meyer將人體股骨中的應力模式與類似形狀的起重機中的應力模式進行比較時，這導致了骨生物力學的重生。受此發現的啟發， Julius Wolff提出了著名的Wolff 骨重建 定律。

## 應用

生物力學的研究範圍從細胞的內部運作到肢體的運動，到軟組織的機械特性，和骨骼。生物力學研究的一些簡單的例子包括在肢體行動的部隊，在調查空氣動力學的鳥類和昆蟲 的飛行，在流體力學中游泳的魚，和運動一般在所有的生命形式，從單個細胞到整個有機體。隨著對活組織生理行為的日益了解，研究人員能夠推進組織工程領域，並為包括癌症在內的多種病症開發出改進的治療方法。

生物力學也用於研究人類肌肉骨骼系統。這種研究利用力平台研究人體地面反作用力和紅外攝像，以捕捉附著在人體上的標記物的軌跡，以研究人體3D運動。研究還應用肌電圖來研究肌肉激活，研究肌肉對外力的反應和擾動。

生物力學廣泛用於整形外科工業，以設計用於人體關節，牙科部件，外部固定和其他醫療目的的整形外科植入物。生物摩擦學是其中非常重要的一部分。它是用於整形外科植入物的生物材料的性能和功能的研究。它在改善設計和生產用於醫療和臨床目的的成功生物材料方面發揮著至關重要的作用。一個這樣的例子是組織工程軟骨。

它還與工程領域緊密相關，因為它經常使用傳統的工程科學來分析生物系統。牛頓力學和/或材料科學的一些簡單應用可以為許多生物系統的力學提供正確的近似。應用力學，尤其是機械工程學科，如連續介質力學，機械分析，結構分析，運動學和動力學，在生物力學研究中發揮著重要作用。

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通常，生物系統比人造系統複雜得多。因此，數學分析幾乎應用於所有生物力學研究中。研究是在假設和驗證的迭代過程中完成的，包括建模，電腦模擬和實驗測量等幾個步驟。