生物力学杂谈
专业：工程力学学号：1120110490 姓名：王肇龙
由于专业变动，原本打算写一篇有关生物武器的，但考虑到已是“身在曹营”，并且我是爱好和平的，所以决定小谈生物力学以及其通过仿生力学在实际生活中的应用。

生物力学（biomechanics）作为经典力学的一个分支学科，是一门应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的学科，也是生物物理学的一个分支。

应用到生物力学的学科很多，包括材料科学技术、生物材料、组织工程与再生医学材料等。

从生物力学的英文名称中即可看出，它是生物学和力学的有机结合。

纵观科学的发展过程，生物学和力学相互促进，共同发展。

从根据流体力学的连续性原理推断出血液循环的存在，到材料力学中为建立声带发声的弹性力学理论而提出的杨氏模量，二者的研究相辅相成。

历经400多年，到了20世纪60年代，生物力学终于成为一门完整、独立的学科。

我国的生物力学研究，有相当一部分与我国传统医学结合。

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。

生物力学的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。

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。

详细介绍下运动生物力学。

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。

下面就运动生物力学结合我所学专业介绍一下其实际应用。

1.生物运动仿生力学与智能微型飞行器
中国科学院崔尔杰院士从事航空航天飞行器非定常气动力与空气弹性等方面的理论与实验研究多年，并取得累累硕果。

微型飞行器是20世纪90年代出现的一种新型飞行器1995年美国国防高级研究计划局着手对其进行可行性研究，1997年开始实施微型飞行器发展研究计划，投资3500万美元，研制周期为3年。

由于微型飞行器在军用、民用两方面均有巨大的应用前景，因此，从一开始就受到人们广泛关注。

仅在美国，从事该项研究的高等院校和研究单位就有150余家，发展非常迅速，在很短时间内就研制出一批性能优良的试验样机，大致上分为固定翼、旋翼和扑翼3种类型。

其中最有代表性的是“黑寡妇”、“微星”、麻省理工学院林肯实验室的“侦察鸟”、加州大学伯克利分校的“微机械飞虫”等。

对于微型飞行器目前还没有严格的界定，一般认为应满足下列条件
①尺寸L<15cm
②重量G<50g
③速度V=35~72km/h
④飞行距离S>10km
微型飞行器研制遇到一系列关键技术问题，主要可归结为以下几个方面
①高升阻比气动构型与增升措施
②动力、能源、高效推进
③飞行稳定性和抗干扰能力
④微型化导航、控制系统
⑤轻质高强材料、结构及设计优化
⑥超轻、微型化任务载荷
且有一点是必须着重指出的是，微型飞行器决不是常规飞行器的简单缩小，其气动力、结构设计、动力配置、飞行动力学和导航控制技术皆有不同于常规飞行器的特点，不对这些问题进行有针对性的深入研究，认真加以解决，要达到实用化目标是很困难的。

而生物运动仿生力学研究可以为微型飞行器研制提供多方面的启示和解决关键技术问题的途径。

以蜻蜓为例，通过研究其飞行机制和方法，在悬停飞行和提高升力方面给人们提供了巨大的探索空间和应用前景。

许多尺度和微型飞行器相近的鸟类或昆虫，能够在强风和复杂环境下悬停或稳定飞行，主要原因是它们的翅膀以及身体可根据外界条件的改变，产生自适应变形。

将飞行器机翼做成柔性翼，通过机翼的自适应变形和固有振动，不需附加陀螺增稳装置，亦可在阵风环境下保持平稳飞行状态，这就一定程度上解决了抗干扰以达到稳定飞行的问题。

又通过研究昆虫翅膀的网架结构可研制出轻质材料，从而大大降低飞行器自重，并保证其高强度高韧度。

生物运动仿生力学研究为智能微型飞行器研制提供了多方面有益的启示和
解决关键技术问题的途径，对微型飞行器的实用化发展具有重要意义生物运动仿生力学学科本身也有许多值得深入研究探索的领域。

因此，对它的发展应给予高度重视“仿生”并不是对生物运动完全地、简单化地模拟，而是在深入研究和了解其规律及作用机理基础上的创新，相信在大自然的引导下，诸如此类的科学技术会越来越完善。

2.运动生物力学在军事训练中的应用
塑造险难科目的最佳运动模式
在军事训练中，有些科目(例如400m障碍、器械操、射击和操作技巧较难的其它训练科目)动作复杂、技巧难度大．具有一定的危险性，影响训练成绩的提高，可应用运动生物力学的摄影(摄像)测量方法．分析这些训练科目的生物学特征．阐明错误动作及损伤机制，提出基本参数．塑造出标准运动技术模式，使教
练员和训练者明确什么样的动作是正确的运动技术。

明确了运动技术的原理，便可通过一定的手段对训练者进行技术诊断，找出改进措施．寻求最佳运动技术，以提高训练的科学性。

实施单兵技术诊断
通过测试不同年度训练水平和不同体质±兵的技术参数，实施技术诊断，掌握基本技术参数和共性规律，对照标准运动技术动作。

采取反馈的循环方式科学指导训练，使其技术动作规范化。

选拔训练技术能手
从运动生物力学方面，了解各项专项技术能手应具备的状态、机能和素质条件。

采集各项技术能手的体能和训练技术数据．建立选才模型j提供选拔技术能手的有关参数。

改进训练器材
人体本身的运动效果和人体对器械的作用效果如何，固然和运动技术是否合理有关，从运动生物力学观点出发，把人体运动技术和运动器械的运动性能结合起来考虑，提出训练器材最佳化的标准，可以改进旧的、训练器材和设计新的训练器材。

建立训练专家系统
在取得运动生物力学大量研究成果的基础上，用计算机实现对训练者技术进行诊断并开处方。

专家系统主要借助于三维录像系统和计算机CAD辅助设计和图象分析系统，适用于考核或比武中的战术和技术分析，该系统可模拟军事训练专家的思维智能，根据训练大纲的要求，对训练计划、组织、指挥、监督、保障、技术能手选拔等方面进行科学实施。

结束语
通过查阅相关资料让我们对生物力学有了更深入的了解，也希望我们自己能努力学好本专业的力学知识，并与生物学有机结合，致力于解决技术难题以及造福人类的科技发展中。

参考文献：
《生物运动仿生力学与智能微型飞行》，崔尔杰，《力学与实践》2004年4月，第26卷第2期
《解放军医学情报》1996年06期
2013年5月4日。