生物力学：一个发展迅速但又备受漠视的交叉学科

上山打老虎667

生物力学的起源

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。

生物力学的基本任务是应用物理力学的理论和方法来研究生物和人体在宏观和微观水平上的力学性质和行为，分析发生在生命活动过程中的各种力学现象和过程，了解生物和人体一部分相对于另一部分以及整个机体在空间和时间上发生位移和运动的力学规律。

生物力学是一门新兴学科，尽管对其中个别问题的研究有相当悠久的历史。一般认为，1967年在瑞士召开第一次国际生物力学研究会议是该学科诞生的标志。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。

现代生物力学大约起源于20世纪60年代末，生物力学和运动生物力学发展进入了形成和发展时期。在这一时期专家们对于人和动物运动的生物力学特性进行了积极的研究。

下面一些学者的科学研究广为人知：亚历山大1970年的《生物力学》；1974年武科布罗多维奇对于动物运动进行了数学模拟，并因此促进了机器人制造技术的发展；1968年希利杰博兰德创建了有关动物以均匀步法进行运动的理论；1968年苏霍诺夫创建了陆地脊椎动物运动的一般体系；哈顿有关人支撑运动体系调控机制的研究；米勒有关人运动生物力学问题的研究。

1967年召开了第一次国际生物力学学术讨论会。1973年正式成立了国际生物力学学会（International Society of Biomechanics,ISB），这标志着生物力学学科的正式建立。当前生物力学前沿分支微观生物力学：从分子及其相互作用角度研究细胞、细胞器以及它们的构成成分蛋白质、核酸等生物大分子的力学性质；探讨发生在细胞内、细胞膜及核膜内以及核酸和蛋白质中的力学现象。

生物材料力学：研究各种生物材料，如骨骼、血管、肌肉，皮肤、韧带、肌腱等的力学特性，主要测定在生理和模拟生理状态下，应力应变，弹性模量、桑泊比等的力学参数，为制作人工器官提供原始资料和科学数据。

生物流体力学：研究动植物体内各种粘液的流动变化规律。目前侧重于对于人体血液流变、流动、性能的研究，测定其粘弹模量、剪变模量、剪变率、屈服应力等力学参数和粘度的关系，以及流量、流速与压差的关系等。近年来，对人体的淋巴液、胃液、肠液、痰液、唾液、关节液、子宫颈液、精液等的力学参数也开展了测定工作，对健康人和病人的数据变化范围作出规范图表，供医疗诊断应用。

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、端流、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。

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；后者用来向下加速空气，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。

生物结构力学：研究生物体内各种组织、器官脏腑的结构、功能与力学参数的关系。如心脏处于工作状态下应力应变的分布，心肌材料结构的关系，行走时骨头及关节应力分布和密布分布的关系，以及研究生物体受力时的最佳状态原理等，为仿生设计提供依据。

心血管动力学：主要研究血循环系统内动力学问题。如心脏搏动对脉象的影响；血管内血液的搏动流与血管壁作弹性胀缩振动的关系；血流的压力、血流量、流速、血流流阻、血流粘度等参量之间的定量关系；心脏搏动和压力波在脉管中的传播速度和方向的关系；细血管内血细胞的运动、变形、破裂、粘附、栓塞的动力学原理；微循环（微动脉-毛细血管-微静脉）的血流特殊性，以及血流运动对高血压、脑溢血、冠心病等的影响等。

生物电子力学：生物电是以电为载体的重要生物信息之一。研究生物电在生物体中相互排斥、吸引、分离、聚集、运动、传输、变化等规律，可对生物信息的传送，人体神经、体液系统的自动反馈、调节、控制过程作出解释。

生物运动力学：研究生物体在运动过程中，生物的运动反映及动力反映，如生物体在运动或受阻时所引起的自动生长、萎缩、病变、修复及活体内在应力变化时的生理、心理反应等。是体育运动、医疗及宇航生物研究的基础。

生物热力学生物计算力学：以数学计算来研究生物体力学性能的学科。如利用弹塑力学的方法，对人体血管、股骨、头颅骨等各向异性、变断面、变密度材料（杆件、薄壁、薄壳件），列出平衡方程，并用电脑运算，求出近似的应力应变分布图、危险断面图等。近年来，还出现了呼吸力学、眼球力学、膀胱力学、膝关节运动学等。

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，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。

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。

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。发达国家生物力学发展的特点

随着现代科学技术的发展，生物力学研究深入到细胞分子水平，生物力学学科自身也在不断发展，逐渐形成了新的研究领域-力学生物学(mechanobiology)。美国力学生物学研究起步较早，在血管力学生物学和骨关节力学生物学研究等方面已取得了一些令人瞩目的新成果。

欧美国家生物力学研究在分子生物力学康复工程与生物力学组织修复、生物力学组织工程与生物力学以及生物力学在临床医学人工器官与植入物空间生命科学和生物医学技术等领域的应用与交叉领域也领先于世界其他国家。

工程生物力学和医学生物力学得到了很好的理论研究，并且有大家熟知和使用的仪器设备，这就决定了它们的研究建立在一个相对较高的科学方法水平之上，而在教育生物力学的研究中却存在着另外一种情况，它主要用于解决教学任务。教育生物力学是生物力学研究中较新的一个分支，尚处于基础材料积累和理解阶段，正在形成自己的理论学说。现阶段教育生物力学的一个重要任务就是创建以解释和预示所研究现象发展主要方向概念体系为基础的理论。

近些年教育生物力学中的传统学术方面在西欧国家得到了进一步的发展，在这一领域里所进行的现代科学研究的主要方向首先决定于使用现代科研方法的可能性。如稳定性描记法、张力动力描记法、肌电描记法、声音描记法、综合肌力测定法、视频信息计算机处理法、数学模拟法等等，这些方法在西欧流派的研究中广为使用。我国生物力学发展状况上世纪70年代末, 在现代生物力学的创始人冯元桢先生的大力推动和热情关怀下, 生物力学作为一门新兴的交叉学科在我国起步。上世纪 80 年代以来, 我国一批力学、 物理学、 医学以及生物学工作者加入到生物力学研究行列中, 建立了我国的生物力学基地和研究团队。研究工作主要有：

(1) 生物流变学：主要涉及胆道 ( 肝脏 ) 流变学、血液流变学、细胞流变学以及活血化淤的流变学效应等；

(2) 心血管生物力学与血液动力学： 主要涉及心脏力学、心瓣力学与人工心瓣、血管力学特性、血流分析与模拟、脉搏波传播以及临床心血管工程等；

(3) 骨关节生物力学：主要涉及颅脑损伤力学、骨折愈合力学、人工关节、颞颌骨、关节力学、口腔正畸力学等。此外，还包括了呼吸力学、软组织力学、药代动力学等方面的研究。这些工作的开展、积累和成果为我国生物力学学科的发展做出了重要贡献。生物力学发展困境生物力学是一种新的交叉学科，发展新的科学领域，有一定的困难。困难的地方，主要在各系有各系的传统，传统一般是抗拒外来因素的侵入的。力学对医学方面有很大的帮助。如对人工呼吸器，人工心肺，人工心瓣，血液循环理论，脉波理论，渗透理论，扩散理论等，对内科，外科，都有直接的应用。

可是有很长一段时期，医学界就是把力学拒之于门外。美国卫生署分配研究经费，直到近年才不再歧视工程工作者。300年前，Hooke就认识了细胞，伽利略就发明了钟摆而用以测脉速，数学家笛卡尔研讨了眼球和视觉，Boreli用力学分析了骨路，肌肉和运动。但生物界，医学界却只造了一个新名词来概括它，叫Iatrophysics（医学物理学）。然后一笔抹杀地说，这门学科对医学的进步，没有什么影响。

从这样的漠视，到目前的接受，是经过力学工作者长时期努力而得到的。他们必须学习生理，病理，医学等方面的知识，并对这些专业本身，能够道人所不能道，见人所未能见，有所发明，有所贡献。这样力学工作者的工作才能被接受，被吸收。所以跨系学科的发展，需要一个酝酿时期。生物力学对中国发展的影响中国在生物力学方面有两个特殊课题可能是特别重要的。

第一是开发西半个中国的力学。我国地大物博，可是人口集中在东半部。怎样吸引人去西部开发，一方面是政治问题、经济问题，一方面也是技术问题。

假使太阳能能够广泛使用，家家户户有空调，冬暖夏凉；假使生物繁育能够改进，新鲜的菜蔬水果供应无缺；假使飞机、飞船、汽车、雪车等交通工具又方便又价廉，进出随意；假使在冰川冻土，沙漠山地上耕种的办法想出来了；……我想人们就愿意去西部，西部也就开发起来了，这是科技界的大课题，生物力学应在这方面做出大贡献。

第二是健康的力学。一方面我国老龄化速度不断加快，另一方面由于环境污染、食品安全等问题，使得中国人面临太多的健康问题。生命科学、生物工程将是未来发展的一个重要方向。而生物力学能够量化医学上的很多指标，能够对疾病机理的解释和治疗提供独特而重要的途径。我国生物力学发展的建议当前，医学一方面不断向微观领域深入，从分子水平探索疾病发生和防治规律；另一方面不断向宏观扩展，从生物医学模式向生物-心理-社会医学模式转变，从治疗模式向预防保健、 群体和主动参与模式转变。

要将生物医学基础研究的精细定量化与力学的模型数学化有机结合，体现学科交叉和综合，深化生物力学学科前沿-力学生物学研究的内涵。强调生物力学研究在解决关键科学问题，明确力学因素在疾病发生发展中作用的同时，致力于发展相关的新技术方法，紧密联系临床防治提出具有生物力学特色的新思路。

(1) 大力提倡工程学科与医学之间的紧密结合，促进工程师与医学家.生理学家之间的联系，对联系紧密的研究组，应在资金上给予鼓励；

(2) 由于生物力学的研究不完全同于大多数技术科学，它研究的周期较长，不容易在短期内就可直接为生产服务，它的效益主要是社会效益，考虑到这一特点，应妥善处理好投资与效益之间的关系；

(3) 进一步扩大我国生物力学界与国际生物力学界之间的学术交流，这种交流的不断扩大和深入将会大大缩小我国在这一新兴边缘学科的研究水平与世界先进水平间的差距。