生物力學的起源

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。其研究范圍從生物整體到系統(tǒng)、器官（包括血液、體液、臟器、骨骼等），從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運動到植物體液的輸運等。

生物力學的基礎是能量守恒、動量定律、質(zhì)量守恒三定律并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(yī)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。

生物力學的基本任務是應用物理力學的理論和方法來研究生物和人體在宏觀和微觀水平上的力學性質(zhì)和行為，分析發(fā)生在生命活動過程中的各種力學現(xiàn)象和過程，了解生物和人體一部分相對于另一部分以及整個機體在空間和時間上發(fā)生位移和運動的力學規(guī)律。?

生物力學是一門新興學科，盡管對其中個別問題的研究有相當悠久的歷史。一般認為，1967年在瑞士召開第一次國際生物力學研究會議是該學科誕生的標志。在科學的發(fā)展過程中，生物學和力學相互促進和發(fā)展著。

哈維在1615年根據(jù)流體力學中的連續(xù)性原理，按邏輯推斷了血液循環(huán)的存在，并由馬爾皮基于1661年發(fā)現(xiàn)蛙肺微血管而得到證實；材料力學中著名的揚氏模量是揚為建立聲帶發(fā)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系，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；弗蘭克提出了心臟的流體力學理論；施塔林提出了物質(zhì)透過膜的傳輸定律；克羅格由于對微循環(huán)力學的貢獻，希爾由于肌肉力學的貢獻而先后（1920，1922）獲諾貝爾生理學或醫(yī)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。

現(xiàn)代生物力學大約起源于20世紀60年代末，生物力學和運動生物力學發(fā)展進入了形成和發(fā)展時期。在這一時期專家們對于人和動物運動的生物力學特性進行了積極的研究。

下面一些學者的科學研究廣為人知：亞歷山大1970年的《生物力學》；1974年武科布羅多維奇對于動物運動進行了數(shù)學模擬，并因此促進了機器人制造技術的發(fā)展；1968年希利杰博蘭德創(chuàng)建了有關動物以均勻步法進行運動的理論；1968年蘇霍諾夫創(chuàng)建了陸地脊椎動物運動的一般體系；哈頓有關人支撐運動體系調(diào)控機制的研究；米勒有關人運動生物力學問題的研究。

1967年召開了第一次國際生物力學學術討論會。1973年正式成立了國際生物力學學會（International Society of Biomechanics,ISB），這標志著生物力學學科的正式建立。當前生物力學前沿分支微觀生物力學：從分子及其相互作用角度研究細胞、細胞器以及它們的構成成分蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的力學性質(zhì)；探討發(fā)生在細胞內(nèi)、細胞膜及核膜內(nèi)以及核酸和蛋白質(zhì)中的力學現(xiàn)象。

生物材料力學：研究各種生物材料，如骨骼、血管、肌肉，皮膚、韌帶、肌腱等的力學特性，主要測定在生理和模擬生理狀態(tài)下，應力應變，彈性模量、桑泊比等的力學參數(shù)，為制作人工器官提供原始資料和科學數(shù)據(jù)。

生物流體力學：研究動植物體內(nèi)各種粘液的流動變化規(guī)律。目前側重于對于人體血液流變、流動、性能的研究，測定其粘彈模量、剪變模量、剪變率、屈服應力等力學參數(shù)和粘度的關系，以及流量、流速與壓差的關系等。近年來，對人體的淋巴液、胃液、腸液、痰液、唾液、關節(jié)液、子宮頸液、精液等的力學參數(shù)也開展了測定工作，對健康人和病人的數(shù)據(jù)變化范圍作出規(guī)范圖表，供醫(yī)療診斷應用。

人和動物體內(nèi)血液的流動、植物體液的輸運等與流體力學中的層流、端流、滲流和兩相流等流動型式相近。在分析血液力學性質(zhì)時，血液在大血管流動的情況下，可將血液看作均質(zhì)流體。由于微血管直徑與紅細胞直徑相當在微循環(huán)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(nèi)血液的流動大都屬于層流，在血液流動很快或血管很粗的部位容易產(chǎn)生湍流。在主動脈中，以峰值速度運動的血液勉強處于層流狀態(tài)，但在許多情況下會轉變成湍流。尿道中的尿流往往是湍流。而通過毛細血管壁的物質(zhì)交換則是一種滲流。對于血液流動這樣的內(nèi)流，因心臟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(nèi)血液的流動狀態(tài)是比較復雜的。

對于外流，流體力學的知識也用于動物游泳的研究。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，在魚游動時的流體邊界層內(nèi)，速度梯度很大，因而克服流體的粘性阻力的功率也大。小生物和單細胞的游動，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。精子用鞭毛游動，水的慣性可以忽略，其水動力正比于精子的相對游動速度。原生動物在液體中運動，其所受阻力可以根據(jù)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(nèi)的空氣粘性阻力；后者用來向下加速空氣，以提供大小等于飛機或飛行動物重量的升力。鳥在空中可以通過前后拍翅來調(diào)節(jié)滑翔角度，這與滑翔機襟翼調(diào)節(jié)的作用一樣。風洞已用于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。

生物結構力學：研究生物體內(nèi)各種組織、器官臟腑的結構、功能與力學參數(shù)的關系。如心臟處于工作狀態(tài)下應力應變的分布，心肌材料結構的關系，行走時骨頭及關節(jié)應力分布和密布分布的關系，以及研究生物體受力時的最佳狀態(tài)原理等，為仿生設計提供依據(jù)。

心血管動力學：主要研究血循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)動力學問題。如心臟搏動對脈象的影響；血管內(nèi)血液的搏動流與血管壁作彈性脹縮振動的關系；血流的壓力、血流量、流速、血流流阻、血流粘度等參量之間的定量關系；心臟搏動和壓力波在脈管中的傳播速度和方向的關系；細血管內(nèi)血細胞的運動、變形、破裂、粘附、栓塞的動力學原理；微循環(huán)（微動脈-毛細血管-微靜脈）的血流特殊性，以及血流運動對高血壓、腦溢血、冠心病等的影響等。

生物電子力學：生物電是以電為載體的重要生物信息之一。研究生物電在生物體中相互排斥、吸引、分離、聚集、運動、傳輸、變化等規(guī)律，可對生物信息的傳送，人體神經(jīng)、體液系統(tǒng)的自動反饋、調(diào)節(jié)、控制過程作出解釋。

生物運動力學：研究生物體在運動過程中，生物的運動反映及動力反映，如生物體在運動或受阻時所引起的自動生長、萎縮、病變、修復及活體內(nèi)在應力變化時的生理、心理反應等。是體育運動、醫(yī)療及宇航生物研究的基礎。

生物熱力學生物計算力學：以數(shù)學計算來研究生物體力學性能的學科。如利用彈塑力學的方法，對人體血管、股骨、頭顱骨等各向異性、變斷面、變密度材料（桿件、薄壁、薄殼件），列出平衡方程，并用電腦運算，求出近似的應力應變分布圖、危險斷面圖等。近年來，還出現(xiàn)了呼吸力學、眼球力學、膀胱力學、膝關節(jié)運動學等。

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(tài)參數(shù)都可應用材料力學的標準公式。但是，無論在形態(tài)還是力學性質(zhì)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(zhì)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于骨力學研究。骨是一種復合材料，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，骨板由縱向纖維和環(huán)向纖維構成，骨質(zhì)中的無機晶體使骨強度大大提高。體現(xiàn)了骨以最少的結構材料來承受最大外力的功能適應性。

木材和昆蟲表皮都是纖維嵌入其他材料中構成的復合材料，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(zhì)類似。動物與植物是由多糖、蛋白質(zhì)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(zhì)和多糖的力學性質(zhì)。粘彈性及彈性變形、彈性模量等知識不僅可用于由氨基酸組成的蛋白質(zhì)，也可用來分析有關細胞的力學性質(zhì)。如細胞分裂時微絲的作用力，肌絲的工作方式和工作原理及細胞膜的力學性質(zhì)等。

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(chuàng)傷生物力學方面，以動力學的觀點應用有限元法，計算頭部和頸部受沖擊時的頻率響應并建立創(chuàng)傷模型，從而改進頭部和頸部的防護并可加快創(chuàng)傷的治療。

人體各器官、系統(tǒng)，特別是心臟—循環(huán)系統(tǒng)和肺臟—呼吸系統(tǒng)的動力學問題、生物系統(tǒng)和環(huán)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(yī)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。發(fā)達國家生物力學發(fā)展的特點

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，生物力學研究深入到細胞分子水平，生物力學學科自身也在不斷發(fā)展，逐漸形成了新的研究領域-力學生物學(mechanobiology)。美國力學生物學研究起步較早，在血管力學生物學和骨關節(jié)力學生物學研究等方面已取得了一些令人矚目的新成果。?

歐美國家生物力學研究在分子生物力學康復工程與生物力學組織修復、生物力學組織工程與生物力學以及生物力學在臨床醫(yī)學人工器官與植入物空間生命科學和生物醫(yī)學技術等領域的應用與交叉領域也領先于世界其他國家。

工程生物力學和醫(yī)學生物力學得到了很好的理論研究，并且有大家熟知和使用的儀器設備，這就決定了它們的研究建立在一個相對較高的科學方法水平之上，而在教育生物力學的研究中卻存在著另外一種情況，它主要用于解決教學任務。教育生物力學是生物力學研究中較新的一個分支，尚處于基礎材料積累和理解階段，正在形成自己的理論學說。現(xiàn)階段教育生物力學的一個重要任務就是創(chuàng)建以解釋和預示所研究現(xiàn)象發(fā)展主要方向概念體系為基礎的理論。

近些年教育生物力學中的傳統(tǒng)學術方面在西歐國家得到了進一步的發(fā)展，在這一領域里所進行的現(xiàn)代科學研究的主要方向首先決定于使用現(xiàn)代科研方法的可能性。如穩(wěn)定性描記法、張力動力描記法、肌電描記法、聲音描記法、綜合肌力測定法、視頻信息計算機處理法、數(shù)學模擬法等等，這些方法在西歐流派的研究中廣為使用。我國生物力學發(fā)展狀況上世紀70年代末, 在現(xiàn)代生物力學的創(chuàng)始人馮元楨先生的大力推動和熱情關懷下, 生物力學作為一門新興的交叉學科在我國起步。上世紀 80 年代以來, 我國一批力學、 物理學、 醫(yī)學以及生物學工作者加入到生物力學研究行列中, 建立了我國的生物力學基地和研究團隊。研究工作主要有：

(1) 生物流變學：主要涉及膽道 ( 肝臟 ) 流變學、血液流變學、細胞流變學以及活血化淤的流變學效應等；

(2) 心血管生物力學與血液動力學：?主要涉及心臟力學、心瓣力學與人工心瓣、血管力學特性、血流分析與模擬、脈搏波傳播以及臨床心血管工程等；

(3) 骨關節(jié)生物力學：主要涉及顱腦損傷力學、骨折愈合力學、人工關節(jié)、顳頜骨、關節(jié)力學、口腔正畸力學等。此外，還包括了呼吸力學、軟組織力學、藥代動力學等方面的研究。這些工作的開展、積累和成果為我國生物力學學科的發(fā)展做出了重要貢獻。生物力學發(fā)展困境生物力學是一種新的交叉學科，發(fā)展新的科學領域，有一定的困難。困難的地方，主要在各系有各系的傳統(tǒng)，傳統(tǒng)一般是抗拒外來因素的侵入的。力學對醫(yī)學方面有很大的幫助。如對人工呼吸器，人工心肺，人工心瓣，血液循環(huán)理論，脈波理論，滲透理論，擴散理論等，對內(nèi)科，外科，都有直接的應用。

可是有很長一段時期，醫(yī)學界就是把力學拒之于門外。美國衛(wèi)生署分配研究經(jīng)費，直到近年才不再歧視工程工作者。300年前，Hooke就認識了細胞，伽利略就發(fā)明了鐘擺而用以測脈速，數(shù)學家笛卡爾研討了眼球和視覺，Boreli用力學分析了骨路，肌肉和運動。但生物界，醫(yī)學界卻只造了一個新名詞來概括它，叫Iatrophysics（醫(yī)學物理學）。然后一筆抹殺地說，這門學科對醫(yī)學的進步，沒有什么影響。

從這樣的漠視，到目前的接受，是經(jīng)過力學工作者長時期努力而得到的。他們必須學習生理，病理，醫(yī)學等方面的知識，并對這些專業(yè)本身，能夠道人所不能道，見人所未能見，有所發(fā)明，有所貢獻。這樣力學工作者的工作才能被接受，被吸收。所以跨系學科的發(fā)展，需要一個醞釀時期。生物力學對中國發(fā)展的影響中國在生物力學方面有兩個特殊課題可能是特別重要的。

第一是開發(fā)西半個中國的力學。我國地大物博，可是人口集中在東半部。怎樣吸引人去西部開發(fā)，一方面是政治問題、經(jīng)濟問題，一方面也是技術問題。

假使太陽能能夠廣泛使用，家家戶戶有空調(diào)，冬暖夏涼；假使生物繁育能夠改進，新鮮的菜蔬水果供應無缺；假使飛機、飛船、汽車、雪車等交通工具又方便又價廉，進出隨意；假使在冰川凍土，沙漠山地上耕種的辦法想出來了；……我想人們就愿意去西部，西部也就開發(fā)起來了，這是科技界的大課題，生物力學應在這方面做出大貢獻。

第二是健康的力學。一方面我國老齡化速度不斷加快，另一方面由于環(huán)境污染、食品安全等問題，使得中國人面臨太多的健康問題。生命科學、生物工程將是未來發(fā)展的一個重要方向。而生物力學能夠量化醫(yī)學上的很多指標，能夠對疾病機理的解釋和治療提供獨特而重要的途徑。我國生物力學發(fā)展的建議當前，醫(yī)學一方面不斷向微觀領域深入，從分子水平探索疾病發(fā)生和防治規(guī)律；另一方面不斷向宏觀擴展，從生物醫(yī)學模式向生物-心理-社會醫(yī)學模式轉變，從治療模式向預防保健、 群體和主動參與模式轉變。

要將生物醫(yī)學基礎研究的精細定量化與力學的模型數(shù)學化有機結合，體現(xiàn)學科交叉和綜合，深化生物力學學科前沿-力學生物學研究的內(nèi)涵。強調(diào)生物力學研究在解決關鍵科學問題，明確力學因素在疾病發(fā)生發(fā)展中作用的同時，致力于發(fā)展相關的新技術方法，緊密聯(lián)系臨床防治提出具有生物力學特色的新思路。

(1) 大力提倡工程學科與醫(yī)學之間的緊密結合，促進工程師與醫(yī)學家.生理學家之間的聯(lián)系，對聯(lián)系緊密的研究組，應在資金上給予鼓勵；

(2) 由于生物力學的研究不完全同于大多數(shù)技術科學，它研究的周期較長，不容易在短期內(nèi)就可直接為生產(chǎn)服務，它的效益主要是社會效益，考慮到這一特點，應妥善處理好投資與效益之間的關系；

(3) 進一步擴大我國生物力學界與國際生物力學界之間的學術交流，這種交流的不斷擴大和深入將會大大縮小我國在這一新興邊緣學科的研究水平與世界先進水平間的差距。