الميكانيكا الحيوية (بالإنجليزية: Biomechanics)‏: هوتطبيق للمبادئ الميكانيكية على الكائنات الحية. هذا يضم دراسة وتحليل ميكانيكا الكائنات الحية وتطبيق المبادئ الهندسية واستقائها من الأنظمة الأحيائية. يطبق هذا البحث والتحليل على عدة مستويات بدءاً من المستوي الجزيئي الذي تتألف منه المواد الحية مثل الكولاجين والإلاستين، إلى مستوي الأعضاء والأنسجة. بعض التطبيقات البسيطة للميكانيكا النيوتنية يمكن حتى تعطي مقاربات سليمة على جميع مستوي، ولكن التفاصيل الدقيقة تتطلب استخدام ميكانيكا الأوساط المتصلة. جيوفاني ألفنسوبيرولي خط أول كتاب في موضوع الميكانيكا الحيوية بعنوان (De Motu Animalium)، يعني حركة الحيوانات. لم ينظر إلى أجسام الحيوانات على أنها أنظمة ميكانيكية فحسب، بل واصل الأسئلة كالفرق الفيزيولوجي بين تخيل إنجاز عمل ما والقيام به عملياً.

بعض الأمثلة البسيطة لأبحاث الميكانيكا الحيوية تضم دراسة القوى المؤثرة على الأطراف (الأعضاء)، والديناميكا الهوائية لطيران الحشرات والطيور، وميكانيكا الموائع في سباحة السمك، الثباتية والرسوخ التي تقدمها جذور الأشجار، وجميع أنواع الحركة في جميع أشكال الحياة، بدءاً من الخلايا المفردة ارتقاءاً إلى جميع الأحياء. الميكانيكا الحيوية للجسم البشري هوفي صلب فهم الحركة.

تلعب الميكانيكا التطبيقية أدواراً أساسية في دراسة الميكانيكا الحيوية. وخصوصا الديناميكا الحرارية، وميكانيكا الأوساط المتصلة، وفروع الهندسة الميكانيكية مثل ميكانيكا الموائع، وميكانيكا الأجسام الصلبة. لقد ظهر حتى الحمولات والتشوهات المطبقة يمكن حتى تؤثر على خصائص الأنسجة الحية. يوجد أبحاث أكثر في مجال نمووإعادة تشكل الأعضاء كرد على هذه الحمولات المطبقة. مثلاً، تأثير ضغط الدم المرتفع على ميكانيكية جدران الشرايين، وسلوك الخلايا العضلية القلبية مع احتشاء القلب، ونموالعظم كاستجابة لممارسات معينة، ونموالنباتات التأقلمي مع حركة الريح، تعتبر كشاهد على حتى الأنسجة الحية تتشكل من حديث كنتيجة مباشرة للأحمال المطبقة. توظف العلوم الرياضية المتنوعة تضم الجبر الخطي، والمعادلات التفاضلية، الأشعة، حسابات التنسور والتقنيات العددية والحسابية مثل طريقة العناصر المنتهية.

إن دراسة المواد الحيوية مهمة جداً للميكانيكا الحيوية. فالأنسجة الحيوية المتنوعة في الجسم مثل الجلد والعظم والشرايين، كلا منها ذوخواص فردية بذاتها. فالاستجابة الميكانيكية المنعملة للأنسجة الخاصة يمكن حتى تتبع خصائص البروتينات المتنوعة، مثل الإلاستين والكولاجين، والخلايا الحية، والمواد الأساسية مثل بروتيوغليكان، وتوجه الألياف داخل النسيج. مثلاً، إذا كان الجلد البشري مركب من البروتين غير الكولاجين، فإن الكثير من الخصائص الميكانيكية، مثل معامل المرونة، سيكون مختلفاً. إن الكيمياء، وفهم الأحياء الجزيئية، وفهم حياة الخلية تشرح الخواص المنعملة والفاعلة للأنسجة الحية. مثلاً، في التقلص العضلي، ارتباط الميوزين مع الأكتين يقوم على تفاعل كيميائي حيوي يضم شوارد الكالسيوم و(أدينوسين ثلاثي الفوسفات).

تاريخ الميكانيك الحيوية

أول من نظر إلى الكائنات الحية المتحركة على انها أنظمة ميكانيكية كان أرسطوالذي خط كتاب يشرح فيه وجهة نظره إلى هذا الموضوع . لاحقا وخلال عصر النهضة كان ليوناردودا فنشي أول من تفهم المييكانيك الحيوية حيث قام بدراسة هجريبة جسم الحيوان ليفهم آلية عمل العضلات والمفاصل. أيضا حاول محاكاة هذه الآلية ليصنع آلة تمكن الانسان من الطيران كالطيور. بالإضافة إلى ذلك, قام بمحاكاة آلية عمل الأحصنة ليصنع آلات تسهل حياة الانسان. غاليليوخط الكثير من الملاحظات الهامة عن آلية حركة الحيوانات التي ساهمت فيما بعد بتطوير هذا المجال. ديكارت اعتبر ان جميع الحيوانات والانسان يخضعون لنفس القوانين الميكانيكية. جيوفاني بوريللي عمل على الأفكار والمبادئ التي وضعها ديكارت وقام بدراسة تفصيلية لحركة الكثير من الحيوانات كالأسماك والطيور واستطاع ان يحدد مركز ثقل الانسان.

خلال الحقبة الصناعية في القرن التاسع عشر, قام أحد الفهماء بتصوير الحيوانات ليتمكن من دراسة حركتها بدقة. ذات العالم اخترع مجال التحليل الحركي. في ألمانيا وخلال نفس الحقبة قام الاخوان ويبر بجهود عديدة ساهمت في تطوير الميكانيكا الحيوية. جهود الكثير من الفهماء عبر التاريخ ساهم في تطوير وازدهار هذا المجال حتى أصبح على ما عليه اليوم, وساعد على ذلك قوانين ونظريات هندسة الميكانيك.

التطبيقات

إن دراسة الميكانيكا الحيوية تتراوح من العمل الداخلي في الخلية، إلى حركة وتطور الأعضاء، إلى الخواص الميكانيكية للأنسجة الرخوة، والعظام. بتطور فهم السلوك الفيزيولوجي للأنسجة الحية، أصبح الباحثون قادرين على التقدم في ميادين هندسة النسج، وتطوير المعالجات في فهم الأمراض. إن الميكانيكا الحيوية كما فهم الرياضة، وفهم الحركة، تطبق قوانين الميكانيكا والفيزياء على أداء الجسم البشري لكي نفهم بشكل أكبر أداء الأحداث الرياضية من خلال النمذجة، والمحاكاة والقياس.

بعض المجالات ضمن الميكانيكا الحيوية التي يقوم فيها الفهماء بالبحث الفهمي تضم دراسة القوى التي تؤثر على الأطراف البشرية, الديناميكية الهوائية التي تؤثر على الطيور, ديناميكية السوائل التي تؤثر على الأسماك, وحركة مختلف الكائنات الحية صغيرة وكبيرة. الميكانيكا الحيوية أيضا تعنى بدراسة الجهاز العضلي الهيكلي. بالإضافة إلى ذلك, تستخدم الفهم في هذا المجال في تصميم الأعضاء والأطراف الاصطناعية والبدائل السنية. فهم احتكاك المفاصل الحيوية يعتبر حقل دراسة هام ضمن هذا المجال ويستخدم في غرس العظام

ميكانيك الأوساط المتصلة

إن من المناسب نمذجة الأنسجة الحية على أنها أوساط متصلة. عملى مستوي الأنسجة الحية، يمكن نمذجة جدران الشرايين على أنها وسط متصل. هذا الافتراض يسقط عندما تقترب أبعاد الجسم المحلل من أبعاد البنية الدقيقة للمادة. الفرضيات الأساسية لميكانيك الأوساط المستمرة هوحفظ العزم الخطي والزاوي، حفظ الكتلة، حفظ الطاقة، وتفاوت الإنتروبي. تنمذج المواد الصلبة عادة باستخدام إحداثيات لاغرانج، بينما تنمذج الموائع غالباً باستخدام إحداثيات أولر. إذا استخدام هذه الفرضيات والمسلمات مع الأخذ بعين الاعتبار بعض المشاكل، يمكننا من كتابة مجموعة من معادلات التوازن. إذا العلاقات الأساسية والحركية بحاجة إيضاً إلى أوساط مستمرة ليمكن تطبيقها في النمذجة.

إن استخدام تنسورات من الدرجة الثانية أوالرابعة، يعتبر أمر أساسي في تمثيل الكثير من الكميات في الكهرتحريكيات. إذا التنسور الكامل من الدرجة الرابعة نادراً ما يستخدم في الواقع العملي. وبدلا عنه، تستخدم بعض التبسيطات مثل توحد الخواص وتباينها، واللاإنضغاطية لتقليل عدد العناصر المستقلة. التنسورات من الدرجة الثانية والمستخدمة بشكل رائج تتضمن تنسور إجهاد كاوشي، وتنسور إجهاد كيرشوف-بيولا الثاني، تنسور تدرج التشوهات، وتنسور الإجهاد الأخضر. ينصح القارئ في مراجع الهندسة الميكانيكية حتى يحدد بدقة تعاريف مختلف التنسورات التي تستخدم في الحالات الخاصة.

الجريان

ينمذج جريان الدم في أغلب الظروف بمعادلات نافيير-ستوكس. يمكن افتراض الدم بأكمله مائع نيوتني غير قابل للانضغاط. هذه الفرضية تسقط في حالة الجريان في الشعيرات الدموية. في هذا المستوي، يصبح تأثير جميع خلية دم حمراء مستقلة بذاتها معتبراً، ولا يمكن اعتبار الدم وسط مستمر. عندما يصبح قطر النادىء الدموي أكبر قليلاً من قطر كريات الدم الحمراء يحدث (Fahraeus–Lindquist effect)، فيحدث تناقص في إجهاد القص للجدران. وفي حالة تناقص قطر الوعاء الدموي أكثر، عندها يتوجب على كريات الدم الحمراء حتى تندس في الوعاء الدموي وغالبا ما تمر بشكل مفرد فقط. في هذه الحالة ينعكس (Fahraeus–Lindquist effect) ويتزايد إجهاد القص.

العظام

إن العظام غير متوحدة الخواص ولكنه تقريبا متوحدة في الاتجاه العرضي. بحدثات أخرى، إذا العظام تكون أقوى على طول محور واحد أكثر من المحور المعماد له، وهي نفس القوة تقريباً كيفما درنا حول هذا المحور. يمكن نمذجة علاقة الإجهاد بالانفعال للعظام باستخدام قانون هوك، وتتناسب بمعامل المرونة، مثل معامل يونغ، ونسبة بواسون أووسائط لامي. إذا مصفوفة الخواص، والتنسور من الدرجة الرابعة، تعتمد على توحد خواص العظام.

الميكانيكا الحيوية الرياضية

في هذا المجال يتم تطبيق قوانين هندسة الميكانيك على جسم الانسان وحركته من أجل معالجة ومنع الإصابات الرياضية. هذا المجال يتداخل مع فهم الحاسوب, الهندسة الميكانيكية, الرياضيات وفهم الأعصاب. غالبا ما يستخدم الحاسوب لمحاكاة حركة الرياضيين أثناء ممارستهم للرياضة وذلك يعطي الفهماء الفرصة لدراسة التفاصيل الصغيرة. يستخدم هذا الفهم في مساعدة الرياضيين على اتنعافي بعد الإصابة, تحسين لياقة الرياضيين, ومساعدتهم على إتقان رياضتهم. غالبا ما يستخدم المختصين في هذا المجال في تصميم الأجهزة الرياضية مثل آلات المشي وغيرها. من أول من اهتم بهذا المجال كان ليوناردودا فنشي.

راجع أيضًا

• حركات الجسم

المصادر

• Dudley, R. 2000. The Biomechanics of Insect Flight: Form, Function, Evolution. Princeton: Princeton University Press.
• Wainwright, S. A., Biggs, J., Curry, S. and Gosline, J. (1978). "Mechanical Design in Organisms." University Press.
• Fung, Y. C. Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissue. (2nd ed.). New York: Springer. ISBN 0-387-97947-6.
• Gans, C. 1974. Biomechanics: An Approach to Vertebrate Biology. Philadelphia: J. B. Lippincott. ISBN 0-472-08016-4, ISBN 978-0-472-08016-8.
• Humphrey, J. D. "Cardiovascular Solid Mechanics: Cells, Tissues, and Organs." New York: Springer. ISBN 0-387-95168-7.
• Vogel, S. 2003. Comparative Biomechanics: Life's Physical World. Princeton: Princeton University Press. ISBN 0-691-11297-5
• Ikada, Yoshito. Bio Materials: An Approach to Artificial Organs (バイオマテリアル: 人工臓器へのアプローチ)
• Biomechanics of Bone

وصلات خارجية

• ماهي الميكانيكيا الحيوية
• American Society of Biomechanics
• International Society of Biomechanics
• Biomch-L - an internet discussion forum for biomechanics and human/animal movement science
• The Biomechanics Lab - a medium for connection between individuals in the biomechanics field.
• Biomechanics Laboratory - Charité Berlin, Germany: Basic research with instrumented orthopaedic implants
• columns on biomechanics
• Biomechanics Laboratory of the Aachen University of Applied Sciences, Germany
• The biomechanics undergraduate degree from the Virginia Tech Department of Engineering Science and Mechanics