Biomecânica - Biomechanics

Página de uma das primeiras obras da Biomecânica ( De Motu Animalium de Giovanni Alfonso Borelli ) do século XVII

Biomecânica é o estudo da estrutura, função e movimento dos aspectos mecânicos dos sistemas biológicos, em qualquer nível, desde organismos inteiros até órgãos , células e organelas celulares , usando os métodos da mecânica . A biomecânica é um ramo da biofísica .

Etimologia

A palavra "biomecânica" (1899) e a relacionada "biomecânica" (1856) vêm do grego antigo βίος bios "vida" e μηχανική, mēchanikē "mecânica", para se referir ao estudo dos princípios mecânicos dos organismos vivos, particularmente seus movimento e estrutura.

Subcampos

Mecânica de Biofluidos

A mecânica biológica dos fluidos, ou mecânica dos biofluidos, é o estudo dos fluxos de gás e fluido líquido dentro ou ao redor de organismos biológicos. Um problema de biofluido líquido frequentemente estudado é o fluxo sanguíneo no sistema cardiovascular humano. Sob certas circunstâncias matemáticas, o fluxo sanguíneo pode ser modelado pelas equações de Navier-Stokes . Presume-se que o sangue total in vivo seja um fluido newtoniano incompressível . No entanto, essa suposição falha ao considerar o fluxo direto dentro das arteríolas . Na escala microscópica, os efeitos dos glóbulos vermelhos individuais tornam-se significativos e o sangue total não pode mais ser modelado como um continuum. Quando o diâmetro do vaso sanguíneo é ligeiramente maior que o diâmetro dos glóbulos vermelhos, ocorre o efeito Fahraeus-Lindquist e há uma diminuição na tensão de cisalhamento da parede . No entanto, à medida que o diâmetro do vaso sanguíneo diminui ainda mais, os glóbulos vermelhos precisam se espremer através do vaso e muitas vezes só conseguem passar em uma única lima. Nesse caso, ocorre o efeito Fahraeus – Lindquist inverso e a tensão de cisalhamento da parede aumenta.

Um exemplo de problema de biofluidos gasosos é o da respiração humana. Recentemente, os sistemas respiratórios em insetos foram estudados para bioinspiração para projetar dispositivos microfluídicos aprimorados.

Biotribologia

A biotribologia é o estudo da fricção , desgaste e lubrificação de sistemas biológicos, especialmente articulações humanas, como quadris e joelhos. Em geral, esses processos são estudados no contexto da mecânica de contato e tribologia .

against each other, the effect of that rubbing on either surface will depend on friction, wear and lubrication at the point of contact. For example, the femoral and tibial components of knee implants routinely rub against each other during daily activity such as walking or stair climbing. If the performance of the tibial component needs to be analyzed, the principles of contact mechanics and tribology are used to determine the wear performance of the implant and the lubrication effects of synovial fluid.

Aspectos adicionais da biotribologia incluem a análise do dano subsuperficial resultante de duas superfícies que entram em contato durante o movimento, ou seja, esfregando uma contra a outra, como na avaliação da cartilagem produzida por engenharia de tecido.

Biomecânica comparativa

Pinguim-barbudo saltando sobre a água

Biomecânica comparada é a aplicação da biomecânica a organismos não humanos, seja usada para obter maiores insights sobre os humanos (como na antropologia física ) ou sobre as funções, ecologia e adaptações dos próprios organismos. As áreas comuns de investigação são a locomoção e alimentação de animais , uma vez que têm fortes conexões com a aptidão do organismo e impõem altas demandas mecânicas. A locomoção animal, tem muitas manifestações, incluindo correr , pular e voar . A locomoção requer energia para superar o atrito , arrasto , inércia e gravidade , embora o fator predominante varie com o ambiente.

A biomecânica comparativa se sobrepõe fortemente a muitos outros campos, incluindo ecologia , neurobiologia , biologia do desenvolvimento , etologia e paleontologia , ao ponto de comumente publicar artigos em periódicos desses outros campos. A biomecânica comparativa é freqüentemente aplicada na medicina (com relação a organismos-modelo comuns, como camundongos e ratos), bem como na biomimética , que busca na natureza soluções para problemas de engenharia.

Biomecânica computacional

Biomecânica computacional é a aplicação de ferramentas computacionais de engenharia, como o método dos elementos finitos, para estudar a mecânica de sistemas biológicos. Modelos computacionais e simulações são usados ​​para prever a relação entre parâmetros que de outra forma seriam desafiadores para testar experimentalmente, ou usados ​​para projetar experimentos mais relevantes, reduzindo o tempo e os custos dos experimentos. A modelagem mecânica usando a análise de elementos finitos tem sido usada para interpretar a observação experimental do crescimento de células vegetais para entender como elas se diferenciam, por exemplo. Na medicina, na última década, o método dos elementos finitos tornou-se uma alternativa estabelecida para a avaliação cirúrgica in vivo . Uma das principais vantagens da biomecânica computacional está na capacidade de determinar a resposta endo-anatômica de uma anatomia, sem estar sujeita a restrições éticas. Isso levou a modelagem de FE a ponto de se tornar onipresente em vários campos da Biomecânica, enquanto vários projetos adotaram uma filosofia de código aberto (por exemplo, BioSpine).

Biomecânica Experimental

Biomecânica experimental é a aplicação de experimentos e medições em biomecânica.

Biomecânica contínua

A análise mecânica de biomateriais e biofluidos é normalmente realizada com os conceitos de mecânica contínua . Esta suposição quebra quando as escalas de comprimento de interesse se aproximam da ordem dos detalhes microestruturais do material. Uma das características mais marcantes dos biomateriais é sua estrutura hierárquica . Em outras palavras, as características mecânicas desses materiais dependem de fenômenos físicos que ocorrem em vários níveis, desde o molecular até os níveis de tecidos e órgãos .

Os biomateriais são classificados em dois grupos, tecidos duros e moles . A deformação mecânica de tecidos duros (como madeira , casca e osso ) pode ser analisada com a teoria da elasticidade linear . Por outro lado, os tecidos moles (como pele , tendão , músculo e cartilagem ) costumam sofrer grandes deformações e, portanto, sua análise depende da teoria de deformações finitas e simulações de computador . O interesse na biomecânica do contínuo é estimulado pela necessidade de realismo no desenvolvimento da simulação médica.

Biomecânica vegetal

A aplicação de princípios biomecânicos a plantas, órgãos de plantas e células se desenvolveu no subcampo da biomecânica de plantas. A aplicação da biomecânica em plantas vai desde o estudo da resiliência das safras ao estresse ambiental até o desenvolvimento e morfogênese em escala celular e tecidual, coincidindo com a mecanobiologia .

Biomecânica do esporte

Na biomecânica do esporte, as leis da mecânica são aplicadas ao movimento humano para obter uma maior compreensão do desempenho atlético e também para reduzir as lesões esportivas . Ele se concentra na aplicação dos princípios científicos da física mecânica para entender os movimentos de ação de corpos humanos e implementos esportivos, como taco de críquete, taco de hóquei e dardo, etc. Elementos de engenharia mecânica (por exemplo, medidores de tensão ), engenharia elétrica (por exemplo, filtragem digital ), ciência da computação (por exemplo, métodos numéricos ), análise de marcha (por exemplo, plataformas de força ) e neurofisiologia clínica (por exemplo, EMG de superfície ) são métodos comuns usados ​​na biomecânica do esporte.

A biomecânica no esporte pode ser definida como as ações musculares, articulares e esqueléticas do corpo durante a execução de uma determinada tarefa, habilidade e / ou técnica. A compreensão adequada da biomecânica relacionada às habilidades esportivas tem as maiores implicações sobre: ​​o desempenho do esporte, a reabilitação e a prevenção de lesões, junto com o domínio do esporte. Como observou o Dr. Michael Yessis, pode-se dizer que o melhor atleta é aquele que executa melhor sua habilidade.

Outros subcampos aplicados da biomecânica incluem

História

Antiguidade

Aristóteles, aluno de Platão, pode ser considerado o primeiro biomecânico, devido ao seu trabalho com a anatomia animal. Aristóteles escreveu o primeiro livro sobre o movimento dos animais, De Motu Animalium , ou Sobre o movimento dos animais . Ele não apenas via os corpos dos animais como sistemas mecânicos, mas perseguia questões como a diferença fisiológica entre imaginar executando uma ação e realmente fazê-la. Em outro trabalho, On the Parts of Animals , ele forneceu uma descrição precisa de como o ureter usa o peristaltismo para transportar a urina dos rins para a bexiga .

Com a ascensão do Império Romano , a tecnologia se tornou mais popular do que a filosofia e a próxima biomecânica surgiu. Galeno (129 DC-210 DC), médico de Marco Aurélio , escreveu sua famosa obra, On the Function of the Parts (sobre o corpo humano). Este seria o livro médico padrão do mundo pelos próximos 1.400 anos.

Renascimento

A próxima biomecânica importante não seria até 1452, com o nascimento de Leonardo da Vinci . Da Vinci era um artista, mecânico e engenheiro. Ele contribuiu para projetos de mecânica e engenharia civil e militar. Ele tinha um grande conhecimento da ciência e da mecânica e estudou anatomia em um contexto de mecânica. Ele analisou as forças e movimentos musculares e estudou as funções das articulações. Esses estudos podem ser considerados estudos no campo da biomecânica. Leonardo da Vinci estudou anatomia no contexto da mecânica. Ele analisou as forças musculares atuando ao longo de linhas que conectam origens e inserções e estudou a função articular. Da Vinci tendia a imitar algumas características de animais em suas máquinas. Por exemplo, ele estudou o vôo dos pássaros para encontrar meios pelos quais os humanos pudessem voar; e como os cavalos eram a principal fonte de força mecânica naquela época, ele estudou seus sistemas musculares para projetar máquinas que se beneficiariam melhor das forças aplicadas por esse animal.

Em 1543, a obra de Galeno, Sobre a função das partes, foi contestada por Andreas Vesalius aos 29 anos de idade. Vesalius publicou sua própria obra intitulada Sobre a estrutura do corpo humano. Nesta obra, Vesalius corrigiu muitos erros cometidos por Galeno, que não seriam globalmente aceitos por muitos séculos. Com a morte de Copérnico, surgiu um novo desejo de compreender e aprender sobre o mundo ao redor das pessoas e como ele funciona. Em seu leito de morte, ele publicou seu trabalho, On the Revolutions of the Heavenly Spheres. Este trabalho revolucionou não apenas a ciência e a física, mas também o desenvolvimento da mecânica e, posteriormente, da biomecânica.

Galileo Galilei , o pai da mecânica e da biomecânica em meio período, nasceu 21 anos após a morte de Copérnico . Galileu passou muitos anos na faculdade de medicina e muitas vezes questionou tudo o que seus professores ensinavam. Ele descobriu que os professores não podiam provar o que ensinavam, então mudou para a matemática, onde tudo tinha que ser provado. Então, aos 25 anos, ele foi para Pisa e ensinou matemática. Ele era um professor muito bom e os alunos deixavam seus outros instrutores para ouvi-lo falar, então ele foi forçado a renunciar. Ele então se tornou professor em uma escola ainda mais prestigiada em Pádua . Seu espírito e ensinamentos levariam o mundo mais uma vez na direção da ciência. Ao longo de seus anos de ciência, Galileu deu a conhecer muitos aspectos biomecânicos. Por exemplo, ele descobriu que "as massas dos animais aumentam desproporcionalmente ao seu tamanho, e seus ossos devem, conseqüentemente, também aumentar desproporcionalmente na circunferência, adaptando-se ao suporte de carga em vez de mero tamanho. seu peso tornando-o oco e aumentando seu diâmetro. Os animais marinhos podem ser maiores do que os animais terrestres porque a flutuabilidade da água alivia o peso de seus tecidos. "

Galileo Galilei estava interessado na resistência dos ossos e sugeriu que os ossos são ocos porque isso proporciona a força máxima com o peso mínimo. Ele observou que as massas ósseas dos animais aumentaram desproporcionalmente ao seu tamanho. Conseqüentemente, os ossos também devem aumentar desproporcionalmente em circunferência, e não apenas em tamanho. Isso ocorre porque a resistência à flexão de uma estrutura tubular (como um osso) é muito mais eficiente em relação ao seu peso. Mason sugere que esse insight foi uma das primeiras apreensões dos princípios da otimização biológica .

No século 17, Descartes sugeriu um sistema filosófico pelo qual todos os sistemas vivos, incluindo o corpo humano (mas não a alma), são simplesmente máquinas regidas pelas mesmas leis mecânicas, uma ideia que muito contribuiu para promover e sustentar o estudo biomecânico.

Era industrial

O próximo grande biomecânico, Giovanni Alfonso Borelli , abraçou a filosofia mecânica de Descartes e estudou andar, correr, pular, o vôo dos pássaros, a natação dos peixes e até mesmo a ação do pistão do coração dentro de uma estrutura mecânica. Ele pôde determinar a posição do centro de gravidade humano , calcular e medir os volumes de ar inspirado e expirado, e mostrou que a inspiração é movida pelos músculos e a expiração se deve à elasticidade do tecido.

Borelli foi o primeiro a entender que “as alavancas do sistema da musculatura aumentam o movimento ao invés da força, de modo que os músculos devem produzir forças muito maiores do que aqueles que resistem ao movimento”. Influenciado pelo trabalho de Galileu, que ele conhecia pessoalmente, ele tinha uma compreensão intuitiva do equilíbrio estático em várias articulações do corpo humano muito antes de Newton publicar as leis do movimento. Seu trabalho é muitas vezes considerado o mais importante da história da biomecânica porque ele fez tantas novas descobertas que abriram caminho para as futuras gerações continuarem seu trabalho e estudos.

Muitos anos depois de Borelli, o campo da biomecânica deu um salto importante. Depois disso, mais e mais cientistas começaram a aprender sobre o corpo humano e suas funções. Não há muitos cientistas notáveis ​​do século 19 ou 20 na biomecânica porque o campo é muito vasto agora para atribuir uma coisa a uma pessoa. No entanto, o campo continua a crescer a cada ano e continua a fazer avanços na descoberta de mais sobre o corpo humano. Como o campo se tornou tão popular, muitas instituições e laboratórios foram abertos no último século e as pessoas continuam fazendo pesquisas. Com a criação da Sociedade Americana de Biomecânica em 1977, o campo continua a crescer e fazer muitas novas descobertas.

No século 19, Étienne-Jules Marey usou a cinematografia para investigar cientificamente a locomoção . Ele abriu o campo da moderna 'análise de movimento' por ser o primeiro a correlacionar as forças de reação do solo com o movimento. Na Alemanha, os irmãos Ernst Heinrich Weber e Wilhelm Eduard Weber levantaram muitas hipóteses sobre a marcha humana, mas foi Christian Wilhelm Braune que avançou significativamente a ciência usando os avanços recentes da engenharia mecânica. Durante o mesmo período, a engenharia mecânica dos materiais começou a florescer na França e na Alemanha sob as demandas da revolução industrial . Isso levou ao renascimento da biomecânica óssea quando o engenheiro ferroviário Karl Culmann e o anatomista Hermann von Meyer compararam os padrões de tensão em um fêmur humano com os de um guindaste de formato semelhante. Inspirado por essa descoberta, Julius Wolff propôs a famosa lei de remodelação óssea de Wolff .

Formulários

O estudo da biomecânica varia do funcionamento interno de uma célula ao movimento e desenvolvimento dos membros , às propriedades mecânicas dos tecidos moles e ossos . Alguns exemplos simples de pesquisa biomecânica incluem a investigação das forças que agem sobre os membros, a aerodinâmica do vôo de pássaros e insetos , a hidrodinâmica de nadar em peixes e a locomoção em geral em todas as formas de vida, de células individuais a organismos inteiros . Com a crescente compreensão do comportamento fisiológico dos tecidos vivos, os pesquisadores são capazes de avançar no campo da engenharia de tecidos , bem como desenvolver tratamentos aprimorados para uma ampla gama de patologias, incluindo câncer.

A biomecânica também é aplicada ao estudo dos sistemas músculo-esqueléticos humanos. Essa pesquisa utiliza plataformas de força para estudar as forças de reação do solo humano e videografia infravermelha para capturar as trajetórias de marcadores anexados ao corpo humano para estudar o movimento 3D humano. A pesquisa também aplica a eletromiografia para estudar a ativação muscular, investigando as respostas musculares a forças externas e perturbações.

A biomecânica é amplamente utilizada na indústria ortopédica para projetar implantes ortopédicos para articulações humanas, peças dentárias, fixações externas e outros fins médicos. A biotribologia é uma parte muito importante disso. É um estudo do desempenho e função de biomateriais usados ​​para implantes ortopédicos. Desempenha um papel vital para melhorar o design e produzir biomateriais de sucesso para fins médicos e clínicos. Um exemplo é a cartilagem de engenharia de tecido. O carregamento dinâmico de juntas consideradas como impacto é discutido em detalhes por Emanuel Willert.

Também está ligado ao campo da engenharia , porque muitas vezes usa as ciências tradicionais da engenharia para analisar sistemas biológicos . Algumas aplicações simples da mecânica newtoniana e / ou ciências dos materiais podem fornecer aproximações corretas para a mecânica de muitos sistemas biológicos . A mecânica aplicada, principalmente as disciplinas de engenharia mecânica , como mecânica contínua , análise de mecanismo , análise estrutural , cinemática e dinâmica desempenham papéis importantes no estudo da biomecânica.

Normalmente, os sistemas biológicos são muito mais complexos do que os sistemas construídos pelo homem. Os métodos numéricos são, portanto, aplicados em quase todos os estudos biomecânicos. A pesquisa é feita em um processo iterativo de hipótese e verificação, incluindo várias etapas de modelagem , simulação em computador e medições experimentais .

Veja também

Referências

Leitura adicional

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  • Fischer-Cripps, Anthony C. (2007). Introdução à mecânica de contato (2ª ed.). Nova York: Springer. ISBN 978-0-387-68187-0.
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links externos