生物力学摘要：生物力学作为一个新兴的力学学科，在现代医药、体育等学科的推动下发展迅猛并体现出了巨大地发展潜力。

同时作为高端学科，受制于其他学科的研究成果，又面临着许多制约其发展的难题。

关键词：生物力学，发展历程，分支学科简介，未来发展，面临问题一、引言生物力学是应用力学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。

生物固体力学中关于骨的研究，可以追溯到19世纪，大量的研究者对骨组织进行了研究，直到19世纪末，Wolff提出了著名的Wolf's Law. 他认为骨组织是一种自优化的组织，其结构会随着外载的变化而逐渐变化，从而达到最优的状态。

以后，研究者进行了大量研究，基于此定律提出了不少的理论及数学模型。

其中较为著名教授有S.C Co win ,D. R Carter , Huskies。

在国内，吉林大学的朱兴华教授也做了大量工作。

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，二相假设等，有限元法、断裂力学以及应力套方法和先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。

在人体运动中，应用层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。

通过更科学的研究，为中国传统中医注入了新鲜血液。

如今颈椎、腰椎等疾病人群日益增多，生物力学正提供了一个更科学，更有效的研究方法。

同时生物力学也必将对困扰人们多年的心脑血管疾病的治疗带来曙光。

所以对于生物力学这一新兴学科的研究具有重要意义。

二、生物力学各分支的概述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；材料力学中著名的扬氏模量是扬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(1920，1922)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。

2.1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。

2.2生物流体力学生物流体力学是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型式相近。

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。

2.3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。

三、生物力学的未来发展趋势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。

所以对于生物力学的未来发展，不单单指的一门学科的发展。

而是在多个学科共同进步的前提下，推动生物力学的发展。

3.1 虚拟力学人研究建立了人体全身的骨骼几何学模型, 全身的肌肉模型, 构成一个完整的人体全身生物力学系统, 用该系统可以仿人体的各种运动行为和操作行为, 计算出在一个行为过程中人体各部分的受力和各部分的应力状态, 构建一个各个学科领域应用的人体生物力学平台。

这一个平台将会在全世界生物力学研究者的共同努力下不断完善、不断深化, 仿真的程度不断提高。

目前已经有欧洲联合虚拟人,以及我国的虚拟人模型,这些虚拟人的应用研究正在不断的探索研究中。

3.2组合假体生物力学问题的研究将现有人工材料假体和组织工程手段相结合, 把人工材料假体构成部分降低到恰好满足早期临床功能重建的需求, 而把组织工程培养的体外过程移植到体内培养, 对于这样一种复合式的人工假体, 生物力学起着重要的作用, 它不仅需要满足假体早期承载功能, 还要创造组织工程化组成部分的应力环境, 形成一种专门的设计技术。

3.3人体摩擦学研究进一步研究人体软组织之间的摩擦学行为, 包括关节软骨面之间的摩擦力学问题; 心脏、肺、胃等体内运动器官和周边静止部分界面的摩擦力学问题; 红细胞和微血管壁之间的摩擦力学问题; 以及在人体环境下各种内植物的摩擦力学问题, 它将是各种植入人体内的人工假体以及组织工程化假体设计中必须掌握的重要知识。

3.4 临床生物力学研究随着力学建模和分析手段的不断提高, 人们将会越来越深入和精确的利用人体组织生长、病变和力学的关系, 通过力学手段进行某些疾病的治疗, 不仅会促成临床生物力学分支的发展, 还会形成一系列的相关医疗设备和器械。

运用生物力学知识和手段进行临床治疗将是未来临床医学的重要方向。

3.5通过生物力学手段研究人类演变的过程人类从猿到人的演变, 一个重要特征是骨骼形态的变化, 即骨骼形态由俯姿到立姿的变化,这和人类的劳动生存姿态由俯姿到立姿密切相关, 这是一个力学过程。

有关应力与骨生长研究的成果将从生物力学角度对这一长期历史演化过程作出力学仿真等。

四、生物力学发展面临的困难4. 1 运动学习与控制在运动技能的学习与控制中, 神经肌肉系统是通过肌肉收缩力矩的调节与控制, 达到对外力矩和被动的作用力矩的平衡与适应, 进而完成或发展有目的的、高效的、协调的人体动作[ 10] 然而肌肉力、肌肉力矩的在体测量尚不可能, 不解决这一问题, 则运动生物力学离指导运动实践, 尤其是评价与指导肌肉力量训练尚远。

解决这一问题的技术途径, 无非是直接测量、间接测量和理论计算。

直接测量面临生物壁垒的拒测性, 间接测量面临更复杂的肌肉功能群协作与对抗, 理论计算则需实验测量作为其边界或约束条件。

4. 2 肌力与肌电的关系肌力的测量是一个很古老的问题, 关于离体肌肉的力学特性的研究, 以希尔的热力学本构方程为经典。

然而离体与在体的本质区别, 使离体肌肉力学的研究结果断然不可简单应用于在体。

在体肌力的测量尚不可能, 因此, 肌电测量被不少学者尝试着用来评定肌力, 然而在技术上, 我们还无法控制只让一块肌肉工作的实验。

而且, 对不同肌肉间的肌电干扰, 我们还根本不清楚。

关于肌电对肌力的影响, 我们的认识还很有限, 关于其逆过程, 即肌力对肌电的影响, 我们还几乎没有认识。

这是一个互为因果的逻辑循环, 较难建立确定的因果律, 也较难建立肌电与肌力的对应关系。

4. 3 力学量的体内传递力学量在人体内的传递是通过构成链式连接的肌肉、骨骼、关节系统之间的相互作用完成的。

力学量在人体内的传递可以用传递函数描述, 但这个函数是相当复杂的。

其次还有横向传递和纵向传递问题。

人体及其组织是柔体, 在运动中常提到的瞬间/ 生理刚化, 其力学意义在于增大传递效果, 这也是生物力学较力学复杂的地方。

离体材料力学结构与功能的研究结论应用于在体有其局限性。

为了解决在体测量, 有学者将传感器置入关节或人工假肢内, 以直接测量人体运动时骨骼的应力变化, 或将传感器固定于关节外体表处, 以间接测量关节内的压力变化。

然而, 真体与假体、直接与间接测量的差别是显而易见的。

骨骼刚性材料的力学量传递尚且如此, 肌肉柔性材料的力学量传递则更为复杂。

4. 4 影像分析的瓶颈影像分析技术的进步很快, 20 世纪80 年代初还普遍采用高速摄影加图数转换板, 到80 年代末录像分析已逐步取代了影片分析, 图数转换板与计算机显示器已一体化。

以前热点讨论的数据平滑、重心测算、速度参数形式已由标准化软件完成。

目前图数分析方法的进展是人体关节点的自动识别功能, 但这种依靠灰度识别的技术还只能在实验室实现, 对现场测试, 尤其是在关节被遮挡的情况下, 还只能依靠人工判读关节点。

显然, 将关节作为一个几何点的肉眼判读, 是制约影像分析精度的瓶颈。

此外, 标准人体模型并非完全适合各类体育项目, 尤其是一些对体型有特殊要求的项目。

因此, 人体质量几何分布的个体化模型是一个需要解决、可以解决、但又不易解决的问题。

五、结束语通过上述对生物力学的粗略分析，通过生物力学的各分支的简介、发展过程、未来的发展趋势以及所面临的实际问题让我们看到了对于生物力学人们的认识还不够深入，但却产生巨大地作用，可见其巨大地潜力。

没有生物力学，人类对于疾病的研究、对身体奥秘的探索将会停滞。