生物力学的发展前景

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1、生物力学的发展前景一：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

2、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

3、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

4、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（InternationalSocietyofBiomecha

5、nics,ISB）,这标志着生物力学学科的正式建立。二：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

6、、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

7、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，

8、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