生物力學

生物力學一詞雖然在20世紀60年代才出現，但它所涉及的一些內容，卻是古老的課題。例如，1582年前後伽利略得出擺長與週期的定量關係，並利用擺來測定人的脈搏率，用與脈搏合拍的擺長來表達脈搏率。1616年，英國生理學家W.哈維根據流體力學中的連續性原理，從理論上論證了血液循環的存在。到1661年，M．馬爾皮基在解剖青蛙時，在蛙肺中看到了微循環的存在，證實了咕維的論斷.G．A.博雷利在《論動物的運動》一書中討論了烏飛、魚遊和心臟以及腸的運動。L.歐拉在1775年寫了一篇關於波在動脈中傳播的論文。H．蘭姆在1898年預言動脈中存在高頻波，現已得到證實。英國生理學家S.黑爾斯測量了馬的動脈血壓，並尋求血壓與失血的關係。他解釋了心臟泵出的同歇流如何轉化成血管中的連續流。他在血液流動中引進了外周阻力概念，並正確指出：產生這種阻力的主要部位在細血管處。J.－L.－M．泊肅葉確立了血液流動過程中壓降，流量和阻力的關係。O.夫蘭克解釋了心臟的力學問題。E．H．斯塔林提出了透過膜的傳質定律，並解釋了人體中水的平衡問題。A．克羅格由於在微循環力學方面的貢獻獲得1920年諾貝爾獎金，A.V．希爾因肌肉力學的工作獲得1922年諾貝爾獎金，他們的工作為60年代開始的生物力學的系統研究打下基礎。

在科學的發展過程中，生物學和力學相互促進和發展着。哈維在1615年根據流體力學中的連續性原理，按邏輯推斷了血液循環的存在，並由馬爾皮基於1661年發現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係，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；施塔林提出了物質透過膜的傳輸定律；克羅格由於對微循環力學的貢獻，希爾由於肌肉力學的貢獻而先後(1920，1922)獲諾貝爾生理學或醫學獎。到了20世紀60年代，生物力學成為一門完整、獨立的學科。

60年代初，一批工程科學家同生理學家合作，對生物學、生理學和醫學的有關問題，用工程的觀點和方法，進行了較為深入的研究。其中有些課題的研究逐漸發展成為生物力學的分支學科，如以研究生物材料的力學性能為主要內容的生物流變學。它一般將生物材料分為體液、硬組織和軟組織，肌肉則屬較為特殊的一類。體液中以血液為研究的重點，主要研究血液的粘性和影響粘性的因素（如管徑、有形成分和紅細胞）以及流動中紅細胞在管系支管中的比積分配問題，紅細胞本身的力學性質，紅細胞之間的相互作用，紅細胞與管壁的作用等。對於軟組織，則以研究它的流變性質，建立本構關係為主，因為本構關係不單是進一步分析它的力學問題的基礎，而且具有臨牀意義。對於硬組織，除了研究它的流變性質外，對骨骼的消長與應力的關係也進行了大量研究。

各個系統，特別是循環系統和呼吸系統的動力學問題，是人們長期研究的對象。循環幕統動力學主要研究血液在心臟、動脈、微血管牀、靜脈中流動以及心臟、心瓣的力學問題。一方面研究其管系中的流動，另一方面則着重分析局部的流態，如在管彎、管叉、駐點處的流態，這是因為動脈粥樣化的形成和惡化被認為與局部流態有關。呼吸系統動力學主要研究在呼吸過程中氣道內氣體的流動和肺循環中血液的流動，以及氣血間氣體的交換。

所有這些工作，包括生物材料的流變性質和動力學的研究，不僅有助於對人體生理滴理過程的瞭解，而且還能為人工臟器的設計和製造提供科學依據。生物力學還研究植物體液的輸運（見植物體內的流動）。

環境對生理的影響也是生物力學的一個研究內容。眾所周知，氧對生物體的發育有很大影響，在缺氧環境下生物體發育較慢，在富氧環境下發育較快。即使在短期內，環境的影響也是明顯的。實驗表明：在含10%的氧氣、壓力為一個大氣壓（1大氣壓=101 325帕）的環境中的幼鼠，即使只生活24小時，在直徑為15～30微米的肺小動脈壁下，也會出現大量的纖維細胞。若延續4～7天，纖維細胞則會過渡為典型的平滑肌細胞，這無疑會影響肺循環中血液的流動。又如處於高加速度狀態中的人，其血液的慣性會有明顯的改變，懸垂器官會偏離原位，從而改變體內血液的流動狀態。

在設計水中航行的工具時，經常需要考慮最佳外形。最佳推進方式和最佳操縱方式。由於自然選擇，具有這些優點的永生物較易生存下來洇此，研究某些水生物的運動可以得到一些值得借鑑的知識。例如，海豚是一種較高級的動物，它具有高效率的推進機制和很好的外形，特別是它的皮膚，分為兩層，其間充滿了彈性纖維和脂肪組織，具有特殊的減阻特性，在高速遊動時能夠保持層流邊界層狀態，這是因為它的皮膚對邊界層中壓力梯度變化十分敏感，能作適當的彈性變形以降低逆壓梯度，因而在高速遊動時，表皮能產生波狀運動以抑制湍流的出現。又如纖毛蟲的運動是通過纖毛的特殊運動實現的，在人的呼吸道內也保持有這種低級生物的運動方式，即利用纖毛排除呼吸道內的某些異物。總之，研究大自然中生物運動的意義是很明顯的。

生物力學與其他力學分支最重要的差別是：研究的對象是生物體。因此，在研究生物力學問題時，實驗對象所處的環境十分重要。作為實驗對象，一般有在體(in vivo)和離體(in vitro)之分，而實驗的結果也相應地出現差異。活體狀態的生物材料，即自然狀態下的生物材料，一般説來是處於受力狀態的。但被遊離出來以後，處於所謂自由狀態，就不同於在體狀態了。例如血管一離體，長度會明顯縮短，肺在離體後就會萎縮。在體實驗分為麻醉狀態和非麻醉狀態兩種情況。至於離體實驗，在對象遊離出來後，根據要求可以按整體正位進行實驗，或進一步加工成試件進行實驗。不同的實驗條件和加工條件，對實驗結果的影響很大。這正是生物力學研究的特點。

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參數都可應用材料力學的標準公式。但是，無論在形態還是力學性質上，骨頭都是各向異性的。

20世紀70年代以來，對骨骼的力學性質已有許多理論與實踐研究，如組合杆假設，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於骨力學研究。骨是一種複合材料，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向纖維構成，骨質中的無機晶體使骨強度大大提高。體現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複合材料，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類似。動物與植物是由多糖、蛋白質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和多糖的力學性質。粘彈性及彈性變形、彈性模量等知識不僅可用於由氨基酸組成的蛋白質，也可用來分析有關細胞的力學性質。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等。

生物固體力學中關於骨的研究，可以追溯到19世紀，大量的研究者對骨組織進行了研究，直到19世紀末，Wollf提出了著名的Wollf's Law. 他認為骨組織是一種自優化的組織，其結構會隨着外載的變化而逐漸變化，從而達到最優的狀態。以後，研究者進行了大量研究，基於此定律提出了不少的理論及數學模型。其中較為著名教授有S.C Cowin ,D. R Carter , Husikes。在國內，吉林大學的朱興華教授也做了大量工作。

生物流體力學是研究生物心血管系統、消化呼吸系統、泌尿系統、內分泌以及游泳、飛行等與水動力學、空氣動力學、邊界層理論和流變學有關的力學問題。

人和動物體內血液的流動、植物體液的輸運等與流體力學中的層流、湍流、滲流和兩相流等流動型式相近。在分析血液力學性質時，血液在大血管流動的情況下，可將血液看作均質流體。由於微血管直徑與紅細胞直徑相當在微循環分析時，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。

人體內血液的流動大都屬於層流，在血液流動很快或血管很粗的部位容易產生湍流。在主動脈中，以峯值速度運動的血液勉強處於層流狀態，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交換則是一種滲流。對於血液流動這樣的內流，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，體內血液的流動狀態是比較複雜的。

對於外流，流體力學的知識也用於動物游泳的研究。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，在魚遊動時的流體邊界層內，速度梯度很大，因而克服流體的粘性阻力的功率也大。小生物和單細胞的遊動，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。精子用鞭毛遊動，水的慣性可以忽略，其水動力正比於精子的相對遊動速度。原生動物在液體中運動，其所受阻力可以根據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的空氣粘性阻力；後者用來向下加速空氣，以提供大小等於飛機或飛行動物重量的升力。鳥在空中可以通過前後拍翅來調節滑翔角度，這與滑翔機襟翼調節的作用一樣。風洞已用於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。

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，計算頭部和頸部受衝擊時的頻率響應並建立創傷模型，從而改進頭部和頸部的防護並可加快創傷的治療。

人體各器官、系統，特別是心臟—循環系統和肺臟—呼吸系統的動力學問題、生物系統和環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。

中國的生物力學研究，有相當一部分與中國傳統醫學結合。因而在骨骼力學、脈搏波、無損檢測、推拿、氣功、生物軟組織等項目的研究中已形成自己的特色。

進行生物力學的研究首先要了解生物材料的幾何特點，進而測定組織或材料的力學性質，確定本構方程、導出主要微分方程和積分方程、確定邊界條件並求解。對於上述邊界問題的解，需用生理實驗去驗證。若有必要，還需另立數學模型求解，以期理論與實驗相一致。

其次作為實驗對象的生物材料，有在體和離體之分。在體生物材料一般處於受力狀態(如血管、肌肉)，一旦遊離出來，則處於自由狀態，即非生理狀態(如血管、肌肉一旦遊離，當即明顯收縮變短)。兩種狀態材料的實驗結果差異較大。

生物力學的研究要同時從力學和組織學、生理學、醫學等兩大方面進行研究，即將宏觀力學性質和微觀組織結構聯繫起來，因而要求多學科的聯合研究或研究人員具有多學科的知識。

力學

馮元楨著：《生物力學》，科學出版社，北京，1983。