生物力学
生物力学是使用力学方法对生物系统机械系统机械方面的结构，功能和运动的研究。生物力学是生物物理学的一个分支。
在2022年，计算机械师远远超出了纯机制，并且涉及其他物理动作：化学，热量和传质，电和磁刺激等。
词源
“生物力学”（1899年）和相关的“生物力学”（1856）来自古希腊βίοςbios “ life”和μηχανική， mēchanikē “力学”运动和结构。
子场
生物流体力学
生物流体力学或生物流体力学是对生物生物体或周围的气体和液体流动的研究。经常研究的液体生物流体问题是人类心血管系统中的血流。在某些数学情况下，血流可以通过Navier -Stokes方程进行建模。体内全血被认为是不可压缩的牛顿液。但是，在考虑小动脉内的正向流动时，该假设失败。在微观量表上，单个红细胞的作用变得显著，并且全血不能再将其建模为连续体。当血管的直径略大于红细胞直径时，会出现fahraeus – lindquist效应，并且壁剪应力减少。但是，随着血管的直径进一步降低，红细胞必须挤入容器中，并且通常只能通过一个文件传递。在这种情况下，会发生反法拉斯 - 林格效应，壁剪应力增加。
气态生物流体问题的一个例子是人类呼吸。最近，已经研究了昆虫中的呼吸系统用于设计改进的微流体设备的生物刺激性。
生物脱水学
生物脱水学是对生物系统的摩擦，磨损和润滑的研究，尤其是人类关节，例如臀部和膝盖。通常，在接触力学和摩擦学的背景下研究了这些过程。
生物脱水学的其他方面包括分析运动过程中两个表面引起的地下损伤，即相互摩擦，例如在评估组织工程软骨的情况下。
比较生物力学
比较生物力学是生物力学对非人类生物的应用，无论是用来获得对人类（如物理人类学）的更多见解，还是对生物体本身的功能，生态和适应性的洞察力。调查的常见领域是动物的运动和喂养，因为它们与生物体的适应性有很强的联系并施加了高度的机械需求。动物运动有许多表现，包括跑步，跳跃和飞行。运动需要能量来克服摩擦，阻力，惯性和重力，尽管因素占主导地位随环境而异。
比较生物力学与许多其他领域的重叠，包括生态学，神经生物学，发育生物学，伦理学和古生物学，在这些其他领域的期刊上通常发表论文的程度。比较生物力学通常应用于医学（关于小鼠和大鼠等常见模型生物）以及仿生生物学，这些生物机制是为了解决工程问题的解决方案。
计算生物力学
计算生物力学是工程计算工具的应用，例如有限元方法研究生物系统的力学。计算模型和仿真用于预测参数之间的关系，这些参数在实验中进行测试或设计更相关的实验，以减少实验的时间和成本。使用有限元分析的机械建模已被用来解释植物细胞生长的实验观察，以了解它们如何区分。在医学上，在过去的十年中，有限元方法已成为体内手术评估的既定替代方法。计算生物力学的主要优点之一在于它能够确定解剖结构的内部解剖学反应，而无需受到伦理限制。这使FE建模（或其他离散化技术）在生物力学的几个领域变得无处不在，而几个项目甚至采用了开源哲学（EG BiboSpine）和Sonics，以及SOFA，FENICS FENICS框架和Febio。
计算生物力学是手术模拟中的重要成分，用于手术计划，援助和培训。在这种情况下，使用数值（离散化）方法来尽可能快地计算系统对诸如力，热和传质，电气和磁性刺激等边界条件的响应。
实验生物力学
连续生物力学
生物材料和生物流体的力学分析通常是通过连续力学的概念进行的。当感兴趣的长度尺度接近材料的微结构细节的顺序时，此假设会分解。生物材料的最显著特征之一是它们的分层结构。换句话说，这些材料的机械特性依赖于从分子一直到组织和器官水平的多个水平出现的物理现象。
生物材料分为两组，硬组织和软组织。可以用线性弹性理论分析硬组织（例如木材，壳和骨）的机械变形。另一方面，软组织（例如皮肤，肌腱，肌肉和软骨）通常会发生较大的变形，因此它们的分析依赖于有限的应变理论和计算机模拟。在医学模拟的发展中需要现实主义的需要，刺激了对连续生物力学的兴趣。
植物生物力学
生物力学原理在植物，植物器官和细胞中的应用已发展为植物生物力学的子场。生物力学在植物中的应用范围从研究农作物的弹性到环境压力到细胞和组织量表的发育和形态发生，并与机械生物学重叠。
运动生物力学
在运动生物力学中，机械定律适用于人类运动，以便对运动表现有了更大的了解并减少运动伤害。它重点介绍了机械物理学的科学原理来了解人体和运动工具的作用运动，例如板球蝙蝠，曲棍球棒和标枪等。机械工程的元素（例如，应变计），电气工程（例如数字过滤），计算机科学（例如，数值方法），步态分析（例如，力平台）和临床神经生理学（例如，表面EMG ）是运动生物力学中使用的常见方法。
运动中的生物力学可以说是执行给定的任务，技能和/或技术时身体的肌肉，关节和骨骼动作。适当了解与运动技能有关的生物力学对：运动的表现，康复和预防伤害以及运动精通。正如迈克尔·耶西斯（Michael Yessis）医生所指出的那样，可以说最好的运动员是最好的运动员。
血管生物力学
血管生物力学的主要主题是对血管组织机械行为的描述。
众所周知，心血管疾病是全球死亡的主要原因。人体中的血管系统是应保持压力并允许血流和化学交换的主要成分。研究这种复杂组织的机械性能可以提高更好地了解心血管疾病并大大改善个性化医学的可能性。
血管组织是不均匀的，具有强烈的线性行为。通常，这项研究涉及复杂的几何形状，具有复杂的负载条件和材料特性。这些机制的正确描述是基于生理和生物相互作用的研究。因此，对于研究壁画和血流动力学的相互作用是必要的。
还必须前提血管壁是连续进化中的动态结构。这种进化直接遵循化学和机械环境，其中组织像壁剪应力或生化信号一样浸入其中。
其他应用的生物力学子场包括
- 异态
- 动物运动和步态分析
- 生物脱水学
- 生物流体力学
- 心血管生物力学
- 比较生物力学
- 计算生物力学
- 人体工程学
- 法医生物力学
- 人为因素工程和职业生物力学
- 伤害生物力学
- 植入物（医学） ，矫形和假体
- Kinaesthetics
- 运动学（动力学 +生理学）
- 肌肉骨骼和骨科生物力学
- 复原
- 软体动力学
- 运动生物力学
历史
古代
亚里士多德（Aristotle）是柏拉图（Plato）的学生，可以被视为第一个生物力学，因为他的动物解剖学工作。亚里士多德（Aristotle）撰写了第一本关于动物，动物动物运动或动物运动的书。他将动物的身体视为机械系统，提出了诸如想像执行动作和实际表现之间的生理差异之类的问题。在另一部作品中，他在动物的一部分中进行了准确的描述，说明输尿管如何使用蠕动将尿液从肾脏携带到膀胱。
随着罗马帝国的兴起，技术变得比哲学更受欢迎，而下一个生物力学的产生。马库斯·奥雷利乌斯（ Marcus Aurelius ）的医生盖伦（AD-210 AD-210）写了他的著名作品，讲述了部分的功能（关于人体）。这将是接下来1,400年的世界标准医学书。
再生
下一个主要的生物力学直到1490年代才会出现，随着莱昂纳多·达·芬奇（ Leonardo da Vinci）对人类解剖学和生物力学的研究。他对科学和力学有很好的了解，并在力学背景下研究了解剖结构。他分析了肌肉力量和运动，并研究了关节功能。这些研究可以考虑在生物力学领域的研究。莱昂纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）在力学的背景下研究了解剖结构。他将肌肉力分析为沿连接起源和插入的线作用，并研究了关节功能。达芬奇还以模仿机器中的一些动物特征而闻名。例如，他研究了鸟类的飞行，以找到人类可以飞行的手段。而且，由于马匹是那时的机械力量的主要来源，因此他研究了他们的肌肉系统，以设计机器，可以更好地从该动物所施加的力中受益。
1543年，盖伦（Galen）的作品在29岁时受到安德烈亚斯·维萨里乌斯（ Andreas Vesalius）的挑战。维萨里乌斯（Vesalius）发表了自己的作品，称为人体的结构。在这项工作中，维萨里乌斯纠正了盖伦（Galen）犯的许多错误，这在多个世纪以来都不会被全球接受。随着哥白尼的死亡，人们渴望了解和了解人们周围的世界及其运作方式。在他的临终上，他发表了自己的作品，涉及天上的革命。这项工作不仅彻底改变了科学和物理学，而且彻底改变了力学和后来的生物力学的发展。
机械师和兼职生物力学的父亲伽利略·加利利（Galileo Galilei）出生于哥白尼去世21年。伽利略（Galileo）多年来的科学多年来都提出了许多生物力学方面。例如，他发现“动物的质量不成比例地增加到它们的大小，因此它们的骨骼也必须不成比例地增加腰围，适应肥胖而不是仅仅大小。通过使其空心并增加直径的重量。海洋动物可能比陆生动物大，因为水的浮力可以减轻其体重组织。”
伽利略·伽利略（Galileo Galilei）对骨骼的强度感兴趣，并建议骨骼是空心的，因为这可提供最大的强度，最小的重量。他指出，动物的骨骼质量不成比例地增加了其大小。因此，骨骼还必须在周长而不是大小的情况下增加不成比例的增加。这是因为相对于其重量，管状结构（例如骨骼）的弯曲强度更有效。梅森认为，这种见解是生物优化原理的第一个掌握之一。
在17世纪，笛卡尔提出了一个哲学系统，在该系统中，包括人体（但不是灵魂）在内的所有生物系统都只是由相同机械定律所统治的机器，这种想法在促进和维持生物力学研究方面做得很大。
工业时代
下一个主要的生物力学，乔瓦尼·阿方索·波雷利（Giovanni Alfonso Borelli）拥抱了笛卡尔的机械哲学，并研究了步行，跑步，跳跃，鸟类的飞行，鱼的游泳，甚至在机械框架内的心脏动作。他可以确定人类重心的位置，计算并测量启发和过期的空气体积，他表明灵感是肌肉驱动的，并且到期是由于组织弹性所致。
Borelli是第一个了解“肌肉系统的杠杆放大运动而不是力，因此肌肉必须产生比抵抗运动的力量更大的力”。受他个人认识的伽利略的工作的影响，他在牛顿出版《运动定律》之前就对人体各个关节的静态平衡有着直观的了解。他的作品通常被认为是生物力学史上最重要的，因为他做出了许多新发现，这为子孙后代继续他的工作和研究开辟了道路。
鲍雷利（Borelli）在生物力学领域取得了任何主要飞跃之前多年。在那段时间之后，越来越多的科学家们学习了人体及其功能。从19世纪或20世纪的生物力学中，没有多少著名的科学家，因为该领域现在太庞大了，无法将一件事归因于一个人。但是，该领域每年都在不断增长，并继续进步，进一步发现有关人体的更多信息。由于该领域变得如此受欢迎，因此许多机构和实验室在上个世纪开放，人们继续进行研究。随着1977年美国生物力学学会的建立，该领域继续增长并做出许多新发现。
在19世纪，Étienne-Jules Marey使用摄影来科学地研究运动。他通过第一个将地面反作用力与运动相关联的人开放了现代“运动分析”领域。在德国，恩斯特·海因里希·韦伯（Ernst Heinrich Weber）和威廉·爱德华·韦伯（Wilhelm Eduard Weber）的兄弟姐妹对人的步态提出了很多关于人类步态的重要作用，但是克里斯蒂安·威廉·布劳恩（Christian Wilhelm Braune）使用工程机械师的最新进步来大大提高了科学。在同一时期，根据工业革命的要求，材料的工程机制开始在法国和德国蓬勃发展。当铁路工程师卡尔·库尔曼（Karl Culmann）和解剖学家赫尔曼·冯·迈耶（Hermann von Meyer）将人类股骨的压力模式与类似形状的起重机的压力模式比较时，这导致了骨生物力学的重生。受这一发现的启发，朱利叶斯·沃尔夫（Julius Wolff）提出了著名的沃尔夫（Wolff）骨头改造定律。
申请
生物力学的研究范围从细胞的内部运作到四肢的运动和发育，再到软组织的机械性能和骨骼。生物力学研究的一些简单例子包括调查在四肢作用的力，鸟类和昆虫飞行的空气动力学，鱼类游泳的流体动力学以及从各种形式的生命中，从单个细胞到整个生物体的一般运动。随着对活组织的生理行为的越来越多的了解，研究人员能够推进组织工程领域，并为包括癌症在内的多种病理发展提供了改进的治疗方法。
生物力学还用于研究人类肌肉骨骼系统。这样的研究利用力平台研究人类的地面反作用力和红外摄像机，以捕获人体附着的标记物的轨迹，以研究人类3D运动。研究还采用肌电图来研究肌肉激活，研究对外力和扰动的肌肉反应。
生物力学在骨科行业被广泛用于设计人类关节，牙科部件，外部固定和其他医疗用途的骨科植入物。生物脱水是其中非常重要的一部分。它是对用于骨科植入物的生物材料的性能和功能的研究。它在改善设计并为医疗和临床目的生产成功的生物材料起着至关重要的作用。这样的例子是在组织工程软骨中。伊曼纽尔·威尔特（Emanuel Willert）详细讨论了被视为影响的关节的动态载荷。
它也与工程领域有关，因为它经常使用传统的工程科学来分析生物系统。牛顿力学和/或材料科学的一些简单应用可以为许多生物系统的力学提供正确的近似值。应用力学，最著名的是机械工程学科，例如连续力学，机制分析，结构分析，运动学和动力学在生物力学研究中起着重要作用。
通常，生物系统比人为制造的系统要复杂得多。因此，几乎每项生物力学研究都应用了数值方法。研究是在假设和验证的迭代过程中进行的，包括建模，计算机模拟和实验测量的几个步骤。