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生物力学,

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  • 2024-10-19

生物力学?那么,生物力学?一起来了解一下吧。

生物力学是研究生物系统机械方面的结构、功能和运动的学科,包括从整个生物体到器官、细胞和细胞器等任何水平,使用物理学上力学的研究方法。其名称来源于古希腊βίος(BIOS“生命”)和μηχανική(mēchanikē“力学”),指的是对生物体的机械和热力学原理的研究,特别是其运动和结构。

二、生物力学的发展历史

古代起源

柏拉图的学生亚里士多德可以被认为是第一个生物机械师,他写了第一本关于动物运动的书《De Motu Animalium》或《On the Animals of Animals》,不仅将动物的身体视为机械系统,还追求想象表演和实际行动之间的生理差异等问题,在《动物的部位》中准确描述了输尿管如何使用蠕动将尿液从肾脏运送到膀胱。

Galen(公元129年 - 公元210年)撰写了著名著作《关于人体的功能》,这是未来1400年的世界标准医学书籍。

文艺复兴及之后

莱昂纳多·达·芬奇(1452年左右)是一位艺术家、机械师和工程师,他在力学背景下研究解剖学,分析了肌肉力量和运动,研究了关节功能,这些研究可被视为生物力学领域的研究。他还倾向于模仿机器中的一些动物特征,例如研究鸟类飞行以找到人类飞行的方法,研究马的肌肉系统来设计能更好承受其力量的机器。

1543年,安德烈亚斯·维萨利乌斯(29岁)挑战了盖伦的作品《部件的功能》,纠正了其中延续几个世纪的许多错误。

伽利略(哥白尼去世21年后诞生)在生物力学方面有诸多发现,如发现动物的体重与它们的大小不成比例地增加,所以骨骼也必须不成比例地增加周长来适应承重而不仅仅是尺寸,还指出海洋动物可能比陆地动物大是因为水的浮力减轻了它们的重量等。

16世纪,笛卡尔提出所有生命系统(包括人体)都是由相同的机械法则统治的机器这一理念,促进了生物力学研究,Giovanni Alfonso Borelli接受了这个想法,研究了行走、跑步、跳跃、鸟类飞行、鱼类游动,甚至机械框架内心脏的活塞动作,他还能确定人体重心的位置,计算和测量吸气和呼气量,并显示吸气是肌肉驱动的,呼气是由组织弹性引起的,他也是第一个明白肌肉骨骼系统的杠杆放大运动而非力量的人,所以肌肉必须产生比抵抗运动的力更大的力量。

近现代发展

19世纪到20世纪,虽然难以将某件事归于一个人,但该领域持续发展,不断有更多关于人体方面的研究进展。

20世纪60年代,生物力学成为一门完整、独立的学科。一批工程科学家同生理学家合作,对生物学、生理学和医学的有关问题,用工程的观点和方法进行了较为深入的研究,一些课题逐渐发展成为生物力学的分支学科,如生物流变学等。

三、生物力学的主要研究内容

按研究对象分

运动生物力学:研究生物体运动相关的力学问题,例如动物的行走、奔跑、跳跃,鸟类的飞行,鱼类的游动等,还包括对人体运动的研究,像运动员的运动姿态、运动效率等方面的力学分析。

细胞与亚细胞力学:在细胞、亚细胞、生物大分子层次上研究力学 - 生物学耦合行为与机制。

生物材料力学:包括生物材料的多尺度力学、仿生力学、植物力学等。例如研究生物材料(如骨骼、肌肉、韧带等)的力学性能,像骨骼的强度、弹性模量等,以及仿生材料如何模仿生物材料的特性进行设计等。

软材料与生物软组织力学:研究软材料和生物软组织的本构关系、变形行为与稳定性理论、实验表征与测试方法。像研究皮肤、血管等软组织在受力时的变形、应力 - 应变关系等。

健康与疾病中的生物力学问题:研究癌症、心血管等重大疾病中的生物力学问题,发展诊断与治疗新技术、创新药物等。例如研究心血管疾病中血管壁的受力情况、血流动力学变化等对疾病发生发展的影响,以及如何利用生物力学原理开发新的治疗方法和药物。

按研究方向分- **

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