生物力学：生物固体力学、生物流体力学和运动生物力学

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　　生物力学(biomechanics)是应用力学的原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。其研究范围从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。

　　生物力学

　　生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。依研究对象的不同可分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。

　　在科学的发展过程中，生物学和力学相互促进和发展着。哈维在1615年根据流体力学中的连续性原理，按逻辑推断了血液循环的存在，并由马尔皮基于1661年发现蛙肺微血管而得到证实;材料力学中著名的杨氏模量是杨为建立声带发音的弹性力学理论而提出的;流体力学中描述直圆管层流运动的泊松定理，其实验基础是狗主动脉血压的测量;黑尔斯测量了马的动脉血压，为寻求血压和失血的关系，在血液流动中引进了外周阻力的概念，同时指出该阻力主要来自组织中的微血管;弗兰克提出了心脏的流体力学理论;施塔林提出了物质透过膜的传输定律;克罗格由于对微循环力学的贡献，希尔由于肌肉力学的贡献而先后(1920年，1922年)获诺贝尔生理学或医学奖。到了20世纪60年代，生物力学成为一门完整、独立的学科。生物力学有三个分支：生物固体力学，生物流体力学和运动生物力学。

　　生物固体力学

　　生物固体力学是利用材料力学、弹塑性理论、断裂力学的基本理论和方法，研究生物组织和器官中与之相关的力学问题。在近似分析中，人与动物骨头的压缩、拉伸、断裂的强度理论及其状态参数都可应用材料力学的标准公式。但是，无论在形态还是力学性质上，骨头都是各向异性的。

　　20世纪70年代以来，对骨骼的力学性质已有许多理论与实践研究，如组合杆假设和二相假设等，有限元法、断裂力学以及应力法和光测弹力法等检测技术都已应用于骨力学研究。骨是一种复合材料，它的强度不仅与骨的构造也与材料本身相关。骨是骨胶原纤维和无机晶体的组合物，骨板由纵向纤维和环向纤维构成，骨质中的无机晶体使骨强度大大提高。体现了骨以最少的结构材料来承受最大外力的功能适应性。

　　木材和昆虫表皮都是纤维嵌入其他材料中构成的复合材料，它与由很细的玻璃纤维嵌在合成树脂中构成的玻璃钢的力学性质类似。动物与植物是由多糖、蛋白质类脂等构成的高聚物，应用橡胶和塑料的高聚物理论可得出蛋白质和多糖的力学性质。粘弹性及弹性变形、弹性模量等知识不仅可用于由氨基酸组成的蛋白质，也可用来分析有关细胞的力学性质。如细胞分裂时微丝的作用力，肌丝的工作方式和工作原理及细胞膜的力学性质等。

　　生物固体力学以构成生命体的各种生物固体，如骨、软骨、肌肉、血管、皮肤及各种器官等为研究对象，利用连续介质力学、多相介质力学、断裂力学、损伤力学和流变学等力学基本原理，结合生理学、医学和生物学来研究生物体特别是人体的功能、生长、消亡及运动的规律的生物力学分支 。

　　生物固体力学大体上可分为3个分支 ，即骨力学、软组织力学和器官力学。

　　>>>>骨力学
　　研究骨组织和骨骼结构在外界作用(力、电、磁、热等)下的力学性态，研究骨受力后的瞬时效应和远期效应，以及活骨发育、生长、吸收和消亡的力学机制。骨是各向异性的，但一般认为骨可以视作横观各向同性体。现在对各类骨的宏观、细观力学性质及本构关系已有相当多的成果，但对其动力特性，特别是高应变率下的损伤机理还很不清楚。活骨的重建力学是骨力学的核心。早在1884年，沃尔夫就提出了一个重要的假设，通常称为沃尔夫定律：骨在需要的地方就生长，不需要的地方就吸收。即骨的生长、吸收、重建都与骨的受力状态有关。这个重要的思想指出了力学与生命的联系，因此，在沃尔夫之后，人们一直为这一论断寻求理论的和实验的验证。已开始研究骨细胞是怎样接受力学信息及作出相应响应的机理。骨中应力对骨折愈合有重要作用。关节力学的研究已有很多临床应用成果。

　　>>>>软组织力学
　　冯元桢于1989年证明，活的软组织是非线性赝弹性的 ，即其应力-应变关系是非线性的，其粘弹性是赝弹性的，它或许有明显的滞后环，但相当稳定，对应变率的变化也不敏感。在实验的基础上，他给出了有普遍意义的软组织的本构方程。但对特殊状态下生物组织的本构关系尚知之甚少，如对高应变率下软组织的损伤机理尚不了解。冯元桢提出的血管的应力-生长定律，为研究软组织的生长与应力的关系奠定了基础。活组织中的应力和应变状态随时间变化，这就给确定活组织的“瞬时状态”带来极大困难。因此，寻找确定活组织的零应力状态和残余应力的新理论，是软组织力学研究的一个重要方向。

　　>>>>器官力学
　　器官主要由软组织构成。各种器官都有其独特的功能，是生命体内相对独立的部分，如肺、心、肾、子宫等体内脏器及感觉器官如眼、耳、鼻等。器官力学旨在揭示各种器官行使其生理功能的力学机理，为此必须建立器官的本构模型，用以解释和预示器官中应力、应变及相应的功能变化。子宫有独特的变形能力。在孕期的末期，子宫及宫颈中大部分是结缔组织，使子宫有良好的顺应性。1975年已提出了一个轴对称的薄壁梨形的子宫力学模型，建立了应变、曲率半径、位移及体积间的关系。肺的早期研究多限于观察压力-体积关系，近年来才力图了解肺组织作为一种材料的力学特性，尽管已有相当多的成果，但由于各种实验大都要伤及组织，整肺的试验又要利用不尽合理的形态模型，故设计更精巧的实验是必要的。心脏是整个循环系统的动力源。早期的研究注意整体心脏的原功能。较晚的研究实质上是研究肌肉力学的方法，其基本思路是先搞清单根心肌的力学特性，然后综合得到整个心脏腔室的力学性能。人类对感觉器官的了解尚少。研究最多的是眼和耳。对眼球运动和眼组织的宏观力学性质已有一定认识，但还缺乏精确的整体眼器官的本构模型。对耳朵，则有了耳蜗和前庭器的流体弹性模型，但尚缺少完美的细观描述。

　　生物流体力学

　　生物流体力学研究生物心血管系统、消化呼吸系统、泌尿系统、内分泌以及游泳、飞行等与水动力学、空气动力学、边界层理论和流变学有关的力学问题。

　　人和动物体内血液的流动、植物体液的输运等与流体力学中的层流、湍流、渗流和两相流等流动形式相近。在分析血液力学性质时，血液在大血管流动的情况下，可将血液看作均质流体。由于微血管直径与红细胞直径相当在微循环分析时，则可将血液看作两相流体。当然，血管越细，血液的非牛顿特性越显著。

　　人体内血液的流动大都属于层流，在血液流动很快或血管很粗的部位容易产生湍流。在主动脉中，以峰值速度运动的血液勉强处于层流状态，但在许多情况下会转变成湍流。尿道中的尿流往往是湍流。而通过毛细血管壁的物质交换则是一种渗流。对于血液流动这样的内流，因心脏的搏动血液流动具有波动性，又因血管富有弹性故流动边界呈不固定型。因此，体内血液的流动状态是比较复杂的。

　　对于外流，流体力学的知识也用于动物游泳的研究。如鱼的体型呈流线型，且易挠曲，可通过兴波自我推进。水洞实验表明，在鱼游动时的流体边界层内，速度梯度很大，因而克服流体的粘性阻力的功率也大。小生物和单细胞的游动，也是外流问题。鞭毛的波动和纤毛的拍打推动细胞表面的流体，使细胞向前运动。精子用鞭毛游动，水的惯性可以忽略，其水动力正比于精子的相对游动速度。原生动物在液体中运动，其所受阻力可以根据计算流场中小颗粒的阻力公式(斯托克斯定律)得出。

　　此外，空气动力学的原理与方法常用来研究动物的飞行。飞机和飞行动物飞行功率由两部分组成：零升力功率和诱导功率。前者用来克服边界层内的空气粘性阻力;后者用来向下压缩空气，以提供大小等于飞机或飞行动物重量的升力。鸟在空中可以通过前后拍翅来调节滑翔角度，这与滑翔机襟翼调节的作用一样。风洞已用于研究飞行动物的飞行特性，如秃鹫、蝙蝠的滑行性能与模型滑翔机非常相似。

　　运动生物力学

　　运动生物力学是用静力学、运动学和动力学的基本原理结合解剖学、生理学研究人体运动的学科。用理论力学的原理和方法研究生物是个开展得比较早、比较深入的领域。

　　在人体运动中，应用运动学和动力学的基本原理、方程去分析计算运动员跑、跳、投掷等多种运动项目的极限能力，其结果与奥林匹克运动会的记录非常相近。在创伤生物力学方面，以动力学的观点应用有限元法，计算头部和颈部受冲击时的频率响应并建立创伤模型，从而改进头部和颈部的防护并可加快创伤的治疗。

　　人体各器官、系统，特别是心脏—循环系统和肺脏—呼吸系统的动力学问题、生物系统和环境之间的热力学平衡问题、特异功能问题等也是当前研究的热点。生物力学的研究，不仅涉及医学、体育运动方面，而且已深入交通安全、宇航、军事科学的有关方面。

　　中国的生物力学研究，有相当一部分与中国传统医学结合。因而在骨骼力学、脉搏波、无损检测、推拿、气功、生物软组织等项目的研究中已形成自己的特色。

　　进行生物力学的研究首先要了解生物材料的几何特点，进而测定组织或材料的力学性质，确定本构方程、导出主要微分方程和积分方程、确定边界条件并求解。对于上述边界问题的解，需用生理实验去验证。若有必要，还需另立数学模型求解，以期理论与实验相一致。

　　其次作为实验对象的生物材料，有在体和离体之分。在体生物材料一般处于受力状态(如血管、肌肉)，一旦游离出来，则处于自由状态，即非生理状态(如血管、肌肉一旦游离，当即明显收缩变短)。两种状态材料的实验结果差异较大。

　　生物力学的研究要同时从力学和组织学、生理学、医学等两大方面进行研究，即将宏观力学性质和微观组织结构联系起来，因而要求多学科的联合研究或研究人员具有多学科的知识。(吴永礼供稿)

　　原标题：生物力学简介，来源于中国科学院力学研究所力学园地。