生体力学

生物流体力学、またはバイオ流体力学とは、生物の内部または周囲における気体および液体の流体の流れを研究する学問である。よく研究される液体バイオ流体の問題の一つに、ヒトの循環器系における血液の流れがある。血液の流れはナビエ・ストークス方程式でモデル化できる。生体内の全血は非圧縮性ニュートン流体であると仮定される。この仮定は、細動脈内の順方向の流れを考える場合には成り立たない。微視的なスケールでは、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することはできない。血管の直径が赤血球の直径よりわずかに大きい場合、ファラエウス・リンドクイスト効果が生じ、壁面せん断応力が減少する。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るために押しつぶされ、多くの場合、一列になってしか通過できない。この場合、逆ファラエウス・リンドクイスト効果が生じ、壁面せん断応力が増加する。

気体状生体流体の問題の一例として、人間の呼吸が挙げられる。昆虫の呼吸器系は、改良されたマイクロ流体デバイスを設計するためのバイオインスピレーションとして研究されてきた。 ^{[ 4 ]}

バイオトライボロジーは、生物システムの摩擦、摩耗、潤滑の研究であり、特に股関節や膝関節などの人間の関節に関する研究である。^{[ 5 ] [ 6 ]}一般的に、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る。

バイオトライボロジーのその他の側面には、組織工学軟骨の評価など、運動中に2つの表面が接触すること、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 ]}

比較生体力学とは、生体力学を非ヒト生物に応用する学問であり、人間に関するより深い洞察を得るため（身体人類学のように）にも、生物自体の機能、生態、適応に関する洞察を得るためにも用いられる。研究対象としてよく挙げられるのは、動物の運動と摂食である。これらは生物の適応度と密接に関係しており、高い機械的要求を伴うからである。動物の運動には、走る、跳ぶ、飛ぶなど、さまざまな形態がある。運動には、摩擦、抗力、慣性、重力に打ち勝つためのエネルギーが必要であるが、どの要因が支配的かは環境によって異なる。

比較生体力学は、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います。比較生体力学は、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）だけでなく、工学上の問題に対する解決策を自然界に求めるバイオミメティクスにも応用されています。

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生物システムの力学の研究に応用したものです。計算モデルとシミュレーションは、実験的に検証するのが難しいパラメータ間の関係を予測したり、実験の時間とコストを削減してより関連性の高い実験を設計するために使用されます。例えば、有限要素解析を用いた力学モデリングは、植物細胞の成長の実験的観察を解釈して、細胞がどのように分化するのかを理解するために使用されてきました。^{[ 8 ]}医学分野では、過去10年間で、有限要素法は生体内外科的評価の確立された代替手段となっています。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、解剖学的構造の内解剖学的反応を決定できることです。^{[ 9 ]}このため、有限要素モデリング（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遍在するようになり、いくつかのプロジェクトはオープンソースの理念を採用しています（例：BioSpine）。^{[ 10 ]}

計算バイオメカニクスは、手術計画、手術支援、および手術訓練に用いられる外科シミュレーションにおいて不可欠な要素です。この場合、数値（離散化）手法を用いて、力、熱および物質移動、電気的および磁気的刺激といった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。

生体材料や生体液の力学的解析は、通常、連続体力学の概念に基づいて行われます。しかし、対象となる長さスケールが材料の微細構造の詳細に近づくと、この仮定は成り立たなくなります。生体材料の最も顕著な特徴の一つは、その階層構造です。つまり、これらの材料の力学的特性は、分子レベルから組織や臓器レベルに至るまで、複数のレベルで発生する物理現象に依存しているのです。

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、線形弾性理論を用いて解析できます。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高まっています。^{[ 11 ]： 568}

神経力学は、生体力学的アプローチを用いて、脳と神経系がどのように相互作用して身体を制御するのかをより深く理解しようとする学問分野です。運動課題において、運動単位は特定の動作を実行するために一連の筋肉を活性化させますが、この動作は運動適応と学習によって変化させることができます。近年、モーションキャプチャツールと神経活動記録を組み合わせることで、神経力学的な実験が可能になりました。

植物、植物器官、細胞への生体力学原理の応用は、植物生体力学という分野へと発展した。^{[ 12 ]}植物への生体力学の応用は、作物の環境ストレスに対する耐性の研究^{[ 13 ]}から、細胞および組織レベルでの発生と形態形成まで多岐にわたり、メカノバイオロジーと重なる部分もある。^{[ 8 ]}

スポーツバイオメカニクスでは、運動能力をより深く理解し、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適用します。これは、人間の身体やクリケットバット、ホッケースティック、やり投げなどのスポーツ用具の動作を理解するために、力学物理学の科学的原理を適用することに焦点を当てています。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）、コンピュータサイエンス（例：数値解析）、歩行分析（例：フォースプレート）、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一般的に使用される方法です。^{[ 14 ]}

スポーツにおけるバイオメカニクスとは、特定の動作、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、骨格の動きを指します。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、そしてスポーツの習熟に最も大きな影響を与えます。

血管生体力学の主なテーマは、血管組織の力学的挙動を記述することである。

心血管疾患が世界中で主要な死因であることはよく知られています。^{[ 15 ]}人体の血管系は、圧力を維持し、血液の流れ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、心血管疾患をよりよく理解し、個別化医療を大幅に改善できる可能性が高まります。

血管組織は不均一であり、強い非線形挙動を示す。一般的に、この研究は複雑な形状、複雑な荷重条件、および材料特性を伴う。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不可欠である。したがって、血管壁の力学と血行動態、およびそれらの相互作用を研究する必要がある。

また、血管壁は絶えず変化する動的な構造であることを前提とする必要がある。この変化は、壁面せん断応力や生化学的シグナル伝達など、組織が置かれている化学的および機械的環境に直接的に影響される。

免疫力学という新興分​​野は、免疫細胞の力学的特性とその機能的関連性を特徴づけることに焦点を当てています。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を用いて特徴づけることができ、これらの測定は生理学的条件（例えば温度）で行うことができます。^{[ 16 ]}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性を研究することができます。「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イムノロジーと互換的に使用されることがあります。

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アリストテレスは動物解剖学の研究を行い、動物の運動に関する最初の著作である『動物の運動について』（De Motu Animalium）を著したことから、最初の生物力学者とみなすことができる。^{[ 17 ]}彼は動物の身体を機械システムと捉え、動作を想像することと実際に動作を行うことの生理学的差異といった問題を探求した。^{[ 18 ]}また別の著作『動物の各部分について』（On the Parts of Animals）では、尿管が蠕動運動を用いて腎臓から膀胱へ尿を運ぶ仕組みを正確に記述している。^{[ 11 ] : 2}

ローマ帝国の台頭に伴い、哲学よりも技術が人気を博し、次のバイオメカニクスが登場した。マルクス・アウレリウスの侍医であったガレノス（西暦129年～210年）は、有名な著作『各部位の機能について』（人体に関する著作）を著した。これはその後1400年間、世界の標準的な医学書となる。^{[ 19 ]}

次の主要なバイオメカニクスは、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によって、1490年代まで現れませんでした。彼は科学と力学を深く理解しており、力学の観点から解剖学を研究しました。彼は筋肉の力と動きを分析し、関節の機能を研究しました。これらの研究は、バイオメカニクスの領域における研究とみなすことができます。レオナルド・ダ・ヴィンチは力学の観点から解剖学を研究しました。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ました。ダ・ヴィンチはまた、機械に動物の特徴を模倣したことでも知られています。たとえば、彼は人間が飛ぶ方法を見つけるために鳥の飛行を研究しました。また、当時、馬が主要な動力源であったため、彼は馬の筋肉系を研究し、この動物が加える力をより有効に利用できる機械を設計しました。^{[ 20 ]}

1543年、ガレノスの著作『体の機能について』は、 29歳のアンドレアス・ヴェサリウスによって異議を唱えられました。ヴェサリウスは自身の著作『人体の構造について』を出版しました。この著作の中で、ヴェサリウスはガレノスの多くの誤りを訂正しましたが、それは何世紀にもわたって世界的に受け入れられることはありませんでした。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、学ぶという新たな欲求が生まれました。彼は臨終の床で『天球の回転について』を出版しました。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、そして後のバイオメカニクスの発展にも革命をもたらしました。^{[ 19 ]}

力学の父であり、兼業で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年後に生まれた。ガリレオは長年の科学研究を通して、生体力学に関する多くの側面を明らかにした。例えば、彼は 「動物の質量は体の大きさに比べて不均衡に増加するため、骨もそれに応じて不均衡に太くなり、単なる大きさではなく荷重を支えることに適応しなければならない。骨のような管状構造の曲げ強度は、中空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、陸上動物よりも大きくなることができる。」^{[ 19 ]}

ガリレオ・ガリレイは骨の強度に関心を持ち、骨が中空なのは最小限の重量で最大の強度が得られるためだと考えた。彼は動物の骨の質量が体の大きさに比べて不均衡に増加していることに気づいた。したがって、骨は単なる大きさではなく、周囲長も不均衡に増加しなければならない。これは、管状構造（骨など）の曲げ強度が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例の一つであると示唆している。^{[ 20 ]}

17世紀、デカルトは、人間の身体（ただし魂は除く）を含むすべての生命システムは、同じ機械法則に支配される単なる機械であるという哲学的体系を提唱した。この考えは、生体力学の研究を促進し、維持する上で大きな役割を果たした。

次に登場した主要な生体力学者、ジョヴァンニ・アルフォンソ・ボレッリは、デカルトの機械論哲学を受け入れ、歩行、走行、跳躍、鳥の飛行、魚の遊泳、さらには心臓のピストン運動までも機械的な枠組みの中で研究した。彼は人間の重心の位置を特定し、吸気量と呼気量を計算・測定することができ、吸気は筋肉の働きによるものであり、呼気は組織の弾性によるものであることを示した。

ボレッリは、「筋系のレバーは力ではなく動きを増幅するため、筋肉は動きに抵抗する力よりもはるかに大きな力を発生させなければならない」ということを最初に理解した人物である。^{[ 19 ]}個人的に親交のあったガリレオの研究に影響を受け、ニュートンが運動の法則を発表するずっと前に、人体のさまざまな関節における静的平衡について直感的に理解していた。 ^{[ 21 ]}彼の研究は、多くの新しい発見によって後世の人々が研究を続ける道を開いたため、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。

ボレッリ以降、バイオメカニクスの分野が大きな飛躍を遂げるまでには長い年月がかかりました。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あまりいません。なぜなら、この分野は現在ではあまりにも広大で、特定の人物に何かを帰属させることができないからです。しかし、この分野は毎年成長を続け、人体に関する発見において進歩を続けています。この分野が非常に人気になったため、過去100年間で多くの機関や研究所が開設され、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学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。^{[ 19 ]}

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運動を科学的に研究した。彼は地面反力と運動を初めて関連付けることで、現代の「運動解析」の分野を開拓した。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、工学力学の最新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・ブラウネであった。同じ時期に、フランスとドイツでは産業革命の需要の下で材料工学力学が隆盛し始めた。これにより、鉄道技師のカール・クルマンと解剖学者のヘルマン・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ことで、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・ヴォルフは有名なヴォルフの骨リモデリングの法則を提唱した。^{[ 22 ]}