バイオメカニクス

バイオメカニクスは、生物全体から臓器、細胞、細胞小器官に至るまでのあらゆるレベルで、生物システムの機械的側面の構造、機能、動きを、力学の方法を用いて研究する学問です。^{[1] [2]バイオメカニクスは}生物物理学の一分野です。

今日、計算力学は純粋な力学をはるかに超えて、化学、熱と質量の移動、電気と磁気の刺激など、他の物理的作用も含んでいます。

「バイオメカニクス」（1899年）とそれに関連する「バイオメカニカル」（1856年）という言葉は、古代ギリシャ語のβίος bios「生命」とμηχανική, mēchan​​ikē「力学」に由来し、生体の機械的原理、特にその動きと構造の研究を指します。^[3]

生体流体力学（バイオ流体力学）は、生物の内部または周囲の気体と液体の両方の流体の流れを研究する学問です。よく研究される液体の生体流体の問題は、人間の心臓血管系の血流です。特定の数学的状況下では、血流はナビエ・ストークス方程式でモデル化できます。生体内の 全血は非圧縮性のニュートン流体であると想定されています。しかし、この想定は細動脈内の順方向の流れを考えると当てはまりません。微視的スケールでは、個々の赤血球の影響が顕著になり、全血を連続体としてモデル化できなくなります。血管の直径が赤血球の直径よりわずかに大きい場合、ファーレウス・リンクイスト効果が発生し、壁面せん断応力が減少します。しかし、血管の直径がさらに小さくなると、赤血球は血管を通り抜けなければならず、多くの場合、一列に並んでしか通過できません。この場合、逆 Fahraeus-Lindquist 効果が発生し、壁面せん断応力が増加します。

気体生体流体の問題の一例としては、人間の呼吸が挙げられます。最近では、昆虫の呼吸器系が、改良されたマイクロ流体デバイスを設計するための生物学的インスピレーションを得るために研究されています。^[4]

バイオトライボロジーは、生物学的システム、特に股関節や膝関節などの人間の関節の摩擦、摩耗、潤滑を研究する分野です。 ^{[5] [6]一般に、これらのプロセスは}接触力学とトライボロジーの文脈で研究されています。

バイオトライボロジーのさらなる側面には、組織工学軟骨の評価など、運動中に2つの表面が接触、つまり互いに擦れ合うことによって生じる表面下の損傷の分析が含まれます。^[7]

比較バイオメカニクスは、バイオメカニクスを人間以外の生物に応用する学問であり、人間（身体人類学など）についてより深い洞察を得るため、または生物自体の機能、生態、適応について研究するために使用されます。一般的な研究分野は動物の運動と摂食です。これらは生物の適応度と密接な関係があり、高い機械的要求を課すからです。動物の運動には、走る、跳ぶ、飛ぶなど、さまざまな形があります。運動には、摩擦、抗力、慣性、重力を克服するためのエネルギーが必要ですが、どの要因が優勢であるかは環境によって異なります。^[要出典]

比較バイオメカニクスは、生態学、神経生物学、発生生物学、動物行動学、古生物学など、他の多くの分野と重なり合っており、これらの分野の学術誌に論文が掲載されることが多い。比較バイオメカニクスは、医学（マウスやラットなどの一般的なモデル生物に関して）や、工学上の問題に対する解決策を自然に求めるバイオミメティクスの分野でよく応用されている。 ^[要出典]

計算バイオメカニクスは、有限要素法などの工学計算ツールを応用して生物システムの力学を研究することです。計算モデルとシミュレーションは、実験ではテストするのが難しいパラメータ間の関係を予測したり、より適切な実験を設計して実験の時間とコストを削減したりするために使用されます。有限要素解析を使用した機械的モデリングは、たとえば植物細胞の成長の実験観察を解釈して、細胞がどのように分化するかを理解するために使用されてきました。^[8]医学では、過去10年間で、有限要素法は生体内外科評価の確立された代替手段になりました。計算バイオメカニクスの主な利点の1つは、倫理的制約を受けることなく、解剖学的構造の内的反応を決定できることです。^[9]これにより、FEモデリング（またはその他の離散化技術）はバイオメカニクスのいくつかの分野で普及するようになり、いくつかのプロジェクトではオープンソースの哲学（例：BioSpine）^[10]やSOniCS、SOFA、FEniCSフレームワーク、FEBioが採用されました。

計算バイオメカニクスは、手術の計画、支援、トレーニングに使用される外科手術シミュレーションに不可欠な要素です。この場合、数値 (離散化) 手法を使用して、力、熱および質量移動、電気および磁気刺激などの境界条件に対するシステムの応答を可能な限り高速に計算します。

生体材料および生体流体の機械的分析は、通常、連続体力学の概念に基づいて行われます。この仮定は、対象の長さスケールが材料の微細構造の詳細の順序に近づくと崩れます。生体材料の最も顕著な特徴の 1 つは、その階層構造です。言い換えると、これらの材料の機械的特性は、分子レベルから組織および臓器レベルまで、複数のレベルで発生する物理現象に依存しています。^{[引用が必要]}

生体材料は、硬組織と軟組織の2つのグループに分類されます。硬組織（木材、貝殻、骨など）の機械的変形は、線形弾性理論で解析できます。一方、軟組織（皮膚、腱、筋肉、軟骨など）は通常、大きな変形を受けるため、その解析は有限ひずみ理論とコンピュータシミュレーションに依存しています。連続体バイオメカニクスへの関心は、医療シミュレーションの開発におけるリアリズムの必要性によって促進されています。^{[11] ：568}

神経力学は、生体力学的アプローチを使用して、脳と神経系がどのように相互作用して身体を制御するかをより深く理解します。運動タスク中、運動単位は一連の筋肉を活性化して特定の動作を実行しますが、これは運動適応と学習によって変更できます。近年、神経力学実験は、モーション キャプチャ ツールと神経記録を組み合わせることによって可能になりました。

バイオメカニクスの原理を植物、植物器官、細胞に応用することは、植物バイオメカニクスという分野に発展しました。^{[12]植物に対するバイオメカニクスの応用は、環境ストレスに対する作物の回復力の研究[13]}から、細胞や組織のレベルでの発達や形態形成まで多岐にわたり、メカノバイオロジーと重なります。^[8]

スポーツバイオメカニクスでは、運動能力への理解を深め、スポーツ傷害を減らすために、力学の法則を人間の動きに応用しています。人体の動きやクリケットのバット、ホッケースティック、やり投げなどのスポーツ用具の運動を理解するために、機械物理学の科学的原理を応用することに重点を置いています。機械工学（例：ひずみゲージ）、電気工学（例：デジタルフィルタリング）、コンピューターサイエンス（例：数値手法）、歩行分析（例：フォースプラットフォーム）、臨床神経生理学（例：表面筋電図）の要素は、スポーツバイオメカニクスでよく使われる手法です。^[14]

スポーツにおけるバイオメカニクスとは、特定のタスク、スキル、またはテクニックを実行する際の身体の筋肉、関節、骨格の動作と表現できます。スポーツスキルに関連するバイオメカニクスを理解することは、スポーツパフォーマンス、リハビリテーション、怪我の予防、スポーツの習熟に最も大きな影響を及ぼします。マイケル・イェシス博士が指摘したように、最高のアスリートとは、自分のスキルを最もうまく実行する人であると言えます。^[15]

血管バイオメカニクスの主なテーマは、血管組織の機械的挙動の記述です。

心血管疾患が世界中で死亡の主な原因であることはよく知られています。^[16]人体の血管系は、圧力を維持し、血流と化学物質の交換を可能にする主要な構成要素です。これらの複雑な組織の機械的特性を研究することで、心血管疾患をより深く理解し、個別化医療を大幅に改善する可能性が高まります。

血管組織は不均質で、非常に非線形な挙動を示します。一般的に、この研究には複雑な形状、複雑な負荷条件、材料特性が関係します。これらのメカニズムを正しく記述するには、生理学と生物学的相互作用の研究が必要です。したがって、壁の力学と血行動態をそれらの相互作用とともに研究する必要があります。

また、血管壁は継続的に進化する動的構造であるという前提も必要です。この進化は、壁面せん断応力や生化学的シグナル伝達など、組織が浸漬される化学的および機械的環境に直接従います。

免疫力学という新興分​​野では、免疫細胞の機械的特性とその機能的関連性を特徴付けることに焦点が当てられています。免疫細胞の力学は、音響力分光法や光ピンセットなどのさまざまな力分光法のアプローチを使用して特徴付けることができ、これらの測定は生理学的条件（温度など）で実行できます。^[17]さらに、免疫細胞の力学と免疫代謝および免疫シグナル伝達との関連を研究することもできます。「免疫力学」という用語は、免疫細胞メカノバイオロジーまたは細胞メカノ免疫学と互換的に使用されることがあります。

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• 人間工学と職業バイオメカニクス
• 傷害のバイオメカニクス
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• 運動感覚
• 運動学（運動学＋生理学）
• 筋骨格と整形外科のバイオメカニクス
• リハビリテーション
• ソフトボディダイナミクス
• スポーツバイオメカニクス

プラトンの弟子であるアリストテレスは、動物解剖学の研究により、最初のバイオメカニクスとみなすことができます。アリストテレスは、動物の運動に関する最初の本である『動物の運動について』を著しました。[18] 彼は動物の体を機械システムとみなし、行動を想像することと実際の行動との間の生理学的な違いなどの問題を追求しました。[19] 別の著作である『動物の各部について^』では^、尿管が蠕動運動を利用して腎臓から膀胱に尿を運ぶ仕組みを正確に説明しています。 [ ^{11] : 2}

ローマ帝国の台頭とともに、テクノロジーが哲学よりも人気を博し、次にバイオメカニクスが登場した。マルクス・アウレリウスの医師であったガレノス（129年 - 210年）は、有名な著書『人体各部の機能について』を著した。これはその後1400年間、世界標準の医学書となった。^[20]

次の主要なバイオメカニクスは、1490年代にレオナルド・ダ・ヴィンチによる人体解剖学とバイオメカニクスの研究が登場するまでは存在しなかった。彼は科学と力学を深く理解しており、力学の文脈で解剖学を研究した。彼は筋肉の力と動きを分析し、関節の機能を研究した。これらの研究はバイオメカニクスの領域の研究とみなすことができる。レオナルド・ダ・ヴィンチは、力学の文脈で解剖学を研究した。彼は、起始部と停止部を結ぶ線に沿って作用する筋肉の力を分析し、関節の機能を研究した。ダ・ヴィンチは、機械で動物の特徴を模倣したことでも知られている。たとえば、彼は人間が飛べる手段を見つけるために鳥の飛行を研究した。また、当時は馬が機械動力の主な源であったため、馬の筋肉系を研究して、この動物が加える力からより恩恵を受ける機械を設計した。^[21]

1543年、ガレノスの著作『体の機能について』は、当時29歳だったアンドレアス・ヴェサリウスの批判にさらされた。ヴェサリウスは『人体の構造について』という著作を出版した。この著作でヴェサリウスはガレノスが犯した多くの誤りを訂正したが、その誤りは何世紀にもわたって世界的に受け入れられることはなかった。コペルニクスの死とともに、人々の周りの世界とその仕組みを理解し、学びたいという新たな欲求が生まれた。死の床で彼は『天球の回転について』を出版した。この著作は科学と物理学に革命をもたらしただけでなく、力学、そして後には生体力学の発展にも革命をもたらした。^[20]

力学の父であり、パートタイムの生体力学者でもあったガリレオ・ガリレイは、コペルニクスの死後21年で生まれました。ガリレオは、科学に携わる中で、生体力学の多くの側面を解明しました。例えば、彼は「動物の質量は体の大きさに比例して増加し、その結果、骨の胴回りも不均衡に増加し、単なる大きさではなく荷重に耐えられるように適応する。骨などの管状構造の曲げ強度は、中を空洞にして直径を大きくすることで、重量に対して相対的に増加する。海洋動物は、水の浮力によって組織の重量が軽減されるため、陸生動物よりも大きくなる可能性がある」ことを発見しました。^[20]

ガリレオ・ガリレイは骨の強度に興味を持ち、骨が中空なのは、最小の重量で最大の強度が得られるからだと提唱した。彼は、動物の骨量は体の大きさに比べて不釣り合いに増加していることに注目した。したがって、骨は単なる大きさではなく、胴回りも不釣り合いに増加しているに違いない。これは、管状構造（骨など）の曲げ強度が、その重量に比べてはるかに効率的であるためである。メイソンは、この洞察が生物学的最適化の原理を最初に理解したものの1つであると示唆している。^[21]

17 世紀、デカルトは、人間の身体 (魂は除く) を含むすべての生物系は、同じ機械的法則に支配された単なる機械であるという哲学体系を提唱しました。この考えは、生体力学の研究を促進し、維持するのに大いに役立ちました。

次の主要な生体力学者、ジョヴァンニ・アルフォンソ・ボレッリは、デカルトの機械哲学を受け入れ、歩く、走る、跳ぶ、鳥の飛ぶ、魚の泳ぐ、さらには心臓のピストン運動までを機械的な枠組みの中で研究しました。彼は人間の重心の位置を決定し、吸気量と呼気量を計算して測定し、吸気は筋肉によって行われ、呼気は組織の弾力性によるものであることを示しました。

ボレリは、「筋肉系のてこは力よりも動きを増幅させるので、筋肉は動きに抵抗する力よりもずっと大きな力を生み出す必要がある」ということを初めて理解した人物である。^{[20]ボレリは、個人的に知り合いだったガリレオの研究に影響され、}ニュートンが運動の法則を発表するずっと前から、人体のさまざまな関節の静的平衡を直感的に理解していた。^[22]ボレリの業績は、多くの新しい発見をし、将来の世代が彼の研究と研究を継続する道を開いたため、バイオメカニクスの歴史において最も重要なものとみなされることが多い。

バイオメカニクスの分野が大きな飛躍を遂げたのは、ボレリの発見から何年も後のことでした。その後、ますます多くの科学者が人体とその機能について研究するようになりました。バイオメカニクスの分野では、19世紀や20世紀に著名な科学者は多くありません。なぜなら、この分野は今や1つのことを1人の人物に帰属させるにはあまりにも広大すぎるからです。しかし、この分野は毎年成長を続けており、人体についてさらに発見を進めています。この分野が非常に人気を博したため、過去1世紀の間に多くの機関や研究室が開設され、人々は研究を続けています。1977年にアメリカバイオメカニクス協会が設立されて以来、この分野は成長を続け、多くの新しい発見をしています。^[20]

19世紀、エティエンヌ＝ジュール・マレーは映画撮影法を用いて移動を科学的に調査した。彼は地面反力と動きを初めて相関させ、現代の「動作分析」の分野を切り開いた。ドイツでは、エルンスト・ハインリヒ・ウェーバーとヴィルヘルム・エドゥアルト・ウェーバーの兄弟が人間の歩行について多くの仮説を立てたが、最近の工学力学の進歩を利用して科学を大きく前進させたのはクリスティアン・ヴィルヘルム・ブラウネだった。同時期に、フランスとドイツでは産業革命の要請により材料の工学力学が盛んになり始めた。鉄道技師カール・クルマンと解剖学者ヘルマン・フォン・マイヤーが人間の大腿骨の応力パターンを同様の形状のクレーンの応力パターンと比較したとき、骨の生体力学が復活した。この発見に触発されて、ユリウス・ヴォルフは有名な骨のリモデリングのヴォルフの法則を提唱した。^[23]

バイオメカニクスの研究は、細胞の内部構造から手足の動きや発達、軟部組織^[7]や骨の機械的特性まで多岐にわたります。バイオメカニクス研究の簡単な例としては、手足に作用する力、鳥や昆虫の飛行の空気力学、魚の泳ぐ流体力学、個々の細胞から生物全体まであらゆる形態の生命全般にわたる運動の調査などがあります。生体組織の生理学的挙動に関する理解が深まるにつれて、研究者は組織工学の分野を進歩させ、がんを含むさまざまな病状の治療法を改善できるようになりました。^{[24] [要出典]}

バイオメカニクスは人間の筋骨格系の研究にも応用されています。このような研究では、力測定プラットフォームを利用して人間の地面反力を研究したり、赤外線ビデオグラフィーを利用して人体に取り付けられたマーカーの軌跡を捉えて人間の3D動作を研究したりしています。研究ではまた、筋電図法を利用して筋肉の活性化を研究し、外力や外乱に対する筋肉の反応を調べています。^[25]

バイオメカニクスは、整形外科業界では、人間の関節、歯科部品、外部固定、その他の医療目的の整形外科用インプラントの設計に広く使用されています。バイオトライボロジーは、その中でも非常に重要な部分です。これは、整形外科用インプラントに使用される生体材料の性能と機能の研究です。これは、医療および臨床目的の優れた生体材料の設計と製造を改善する上で重要な役割を果たします。その一例は、組織工学による軟骨です。^[7]衝撃と見なされる関節の動的荷重については、Emanuel Willert が詳細に説明しています。^[26]

また、生体力学は工学分野とも結びついており、生体システムの解析には伝統的な工学科学が用いられることが多い。ニュートン力学や材料科学の単純な応用によって、多くの生体システムの力学に正確な近似値を与えることができる。応用力学、特に連続体力学、機構解析、構造解析、運動学、動力学などの機械工学分野は、生体力学の研究において重要な役割を果たしている。^[27]

通常、生物システムは人間が構築したシステムよりもはるかに複雑です。そのため、数値的手法はほぼすべての生体力学的研究に適用されます。研究は、モデリング、コンピューターシミュレーション、実験測定の複数のステップを含む、仮説と検証の反復プロセスで行われます。

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