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对生物力学的一点粗浅看法*

刘建林

中国石油大学（华东）工程力学系, 青岛 266555

摘  要：

力学是大工业的真正科学的基础，它有认识自然和改造自然两个任务。在生物力学研究领域，力学家发挥自己的特长可以做出相应的贡献。本文主要选择了生物力学研究的三个方面进行评述。生物医学工程是为了解决生物医学中的力学问题，仿生力学是研究自然界生物的优良功能从而能够制造出相应的产品，而生命科学从细胞、DNA入手研究生命。从这三个方面，本文评述了生物力学的一些主要研究成果，以及国内国外的研究现状。然后列出了国内研究生物力学的一些主要机构，同时对于生物力学的发展提出了自己的看法。

 

关键词：

生物力学，生物医学工程，仿生力学，生命科学，研究机构，发展展望

1  引言

人类历史上伟大的思想家卡尔·马克思（Karl·Marx）曾经说过：力学是大工业的真正科学的基础[1]。力学在人类认识自然和改造自然的过程中发挥了巨大作用，对于近代工业，如机械、桥梁、水利、铁路、地质、军工、航天、航空等领域产生了不可磨灭的影响。所以钱学森曾经总结过：“不可能设想，不要现代力学就能实现现代化”[2]。

力学是一门古老的学科，经典力学的理论已经趋于成熟，随着社会的进步、

经济的发展，力学已经融入到现实生活中的各个学科，力学的独立发展空间相对减小，力学工作者必须寻求新的研究课题和发展方向。正如国家自然科学基金委对力学的定位：力学是一门应用性强的基础科学，是研究力与运动规律的科学。力学建立在牛顿力学和经典热力学的基础上，主要涉及宏观运动，目前已扩展到微纳观层次。力学从研究死的、机械的对象已经逐渐转移到活的、有生命力的生物领域。21世纪是生物科技的世纪，生物系统的复杂性与协同性吸引了生物、医学、数学、物理、化学、机械、信息等领域的大量科学家进行研究，同时力学家也不甘落后而要分一杯羹，从而产生了生物力学这一古老而年轻的学科。

2  生物力学研究的几个方面

传统意义上的生物力学重点是研究与生理学、医学有关的力学问题。但是广义的生物力学研究范围非常宽广，可以从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)，也可以从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等等。有人曾经依据生物力学研究对象的不同，将其细分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。但笔者在此无意去细究其分类上的细节，何况严格意义上的分类并没有确切的定义，笔者只是通过自己的调研来从以下三个方面来进行阐述，而这几个方面也是互有联系，即“相互耦合”的。这三个方面不代表生物力学的全部，作一些最初步的介绍，从而“管中窥豹，略见一斑”。

2．1  生物医学工程

顾名思义，这一方向的研究目的是为解决生物医学中的相关力学问题，如人体血液、皮肤、骨骼、肺、心脏、耳朵等等，并为手术治疗提供一些理论。历史上很多著名科学家在这一领域进行了研究，如伽利略(Galileo)曾经利用摆来测定人的脉搏率，哈维(Harvey)从理论上论证了血液循环的存在，泊肃叶(Poiseuille)建立血液流动过程中压降、流量和阻力的关系；夫兰克(Franck)解释了心脏的力学问题；斯塔林(Starling)提出了透过膜的传质定律，并解释了人体中水的平衡问题。有一些科学家因为在此领域的突出贡献获得了诺贝尔奖，其中有克罗格(Krogh)在微循环力学方面的贡献获得1920年诺贝尔奖金，希尔(Hill)因肌肉力学的工作获得1922年诺贝尔奖金，贝克西(Bekesy)因建立了耳朵的力学模型而获得了1961年诺贝尔医学奖。

到了20世纪60年代，一批工程科学家同生理学家合作，对生物学、生理学和医学的有关问题，用工程的观点和方法，进行了较为深入的研究，使生物力学逐渐成为了一门独立的学科。著名的美籍华裔科学家冯元桢[3]被公认为这一领域的开拓者和奠基人之一，他和其学生钱煦的主要贡献有三个方面：对生物软组织本构关系的研究，对肺毛细血流片层流动模型为核心的肺血流动力学规律的研究和生物组织器官生长和应力的关系的研究。冯元桢的学生干荣珠教授[4]在耳朵的力学建模方面做了大量工作，她对耳朵建立了目前为止世界上最好的有限元模型。

大陆在这方面的研究主要有，清华大学的席葆树教授在人工心脏瓣膜的实验方面的工作，杨卫和庄茁教授 [5]开展的心脏支架方面的工作，康振黄教授对心血管系统血流动力学及心血管系统人工器官，骨、软组织和牙等方面的研究，还有中科院力学所的陶祖莱研究员等都做了很好的工作。

2．2        仿生力学

我们应该向自然界学习(learn from nature)，因为生命进化经历了35亿年的演化与协同进化的历史。“物竞天择，适者生存”给出了自然界的演化规律，生物体在演化中已经在宏观与微观结构、形态与功能，适应环境的生存能力等方面得到了优化。从自然界学习的过程中，就产生了仿生力学这一学科。

如德国波恩大学的W. Barthlott [6]教授通过研究荷叶表面的微结构，得出了正是这些微结构的存在导致了荷叶表面的超疏水，此所谓“莲花效应”。同时他们运用荷叶的疏水原理进行仿生，制造出了很多表面超疏水的材料。清华大学工程力学系固体力学研究所也开展了这一方面的研究工作，如郑泉水教授研究了浸润模型转变的问题[7]。

德国Max Planck金属研究所的高华健教授[8]从断裂力学的角度出发，研究了壁虎的粘附机制，提出了“损伤容限”和“分级结构”的概念。Max Planck近代生物研究所的Gorb [9]教授等系统地从实验角度研究了生物的摩擦和粘附现象。

国内的童秉纲院士建立了模拟鱼类运动的三维波动板理论，对鱼类形态适应的内在机制作出了完整解释；北航的孙茂教授[10] 在昆虫拍翼运动的数值研究上取得有国际影响的重要进展。他系统地研究了昆虫飞行中的非定常流动机理，解释了昆虫何以有高超的飞行技能。在此基础上，探索微型飞行器的新飞行原理。清华大学的曾理江教授通过光学干涉方法进行昆虫运动的仿生研究，包括运动变形，流场，受力等。在仿生技术研究和研制微型飞行器和机器鱼方面，国内也开展了大量研究工作。如崔尔杰院士在仿生技术方面做过许多探索，航天部对微型飞行器研制及相应的仿生技术已经开始关注。正在研制微型飞行器的还有西工大、南航、清华、航空研究院等单位。其中北航和北大正在研制的机器鱼和哈工大研制的特种水下机器人都有显著进展。

2．3        生命科学

为了解开生命的奥秘，就必须从细胞入手，从而产生了细胞力学这一热门学科。如佐治亚理工学院的朱承教授[11]主要从事细胞通讯、细胞粘附、生物单分子力学及生物纳米技术等方面的研究；中科院力学所的龙勉研究员[12]在细胞与生物大分子的力学—化学耦合、细胞粘附分子结构－功能关系等方面也做了很好的工作；佐治亚理工学院的鲍刚教授[13]在DNA和细胞的变形和动力学、蛋白质－DNA相互作用等方面做了出色的工作。高华健教授运用连续介质力学在细胞的粘附、病毒的吞噬等方面进行了理论模型分析[14, 15]。

国外的一些著名的力学家也逐渐转向这一方面的研究，如布朗大学的Freund [14]教授，Suresh教授等在细胞力学方面进行了探索。

清华大学在美国科学院院士林家翘先生的领导下，也开始了DNA方面的应用数学建模的研究。林家翘的学生、加州大学的温耀明教授也在这方面颇有建树。北京大学的佘振苏教授开展了生物信息学方面的研究，其研究结果对于非典病毒的传染有重要的参考价值。

3  国内生物力学的一些研究单位

国内生物力学的研究单位比较少，主要有：

重庆大学的生物力学与组织工程教育部重点实验室，

北京体育大学的运动生物力学学科，

中国科学院力学研究所的生物力学与生物工程中心，

清华大学的生物力学与医学工程研究所，

北京大学工学院的生物医学工程系，

复旦大学力学与工程科学系，

太原理工大学应用力学研究所，

上海交通大学医学院及力学系，

北京航空航天大学的生物工程系及力学系，

四川大学建筑与环境学院，

北京工业大学机电学院等等。

4  一些想法

21世纪，伴随着信息技术、纳米科技的涌现，生物力学的研究方兴未艾，其中MIT等高校已经全面向生物领域转型，力学家在这片领域大有作为。但是到底力学家多大程度上能够参与生物的研究？这是一个值得思考的问题。

传统的力学研究者擅长于建立模型，求解方程，以及数值模拟等。对于生物力学的研究，我们既要发挥我们的特长，同时也要注意解决实际问题，决不能只是为了数学模型的漂亮而去modeling。同时要进入一个新的领域，就必须首先去学习它们，融入到其中然后才能有所作为，而不是去排斥它们。

20年前的材料学家一开始也是并不认可力学家的工作，但是随着材料与力学的结合，在材料增韧、结构设计等方面，材料学的发展大大裨益于力学家的介入。同样，生物力学的研究跟20年前材料学的研究也很类似，或许在不远的将来，生物学家能够接受力学家的观点。

对于新兴的学科领域，一开始大家都会趋之若骛，从而也会产生一些“过热”、“炒作”的不良现象。特别是国内的科研情况比较特殊，从多年前的炒超声波，到目前不远的炒纳米，炒生物，都足以引起我们的注意。作为力学工作者，一方面要积极地参与到新领域里面去，另一方面也要适当把握研究的方向。例如，在很多人都研究生物的过程中，有一部分力学家要继续研究原来的传统力学问题，而另外一部分可能会介入到生物中去，并非所有的人都一窝蜂地上。同时除了生物，我们还要密切关注其它比较有前途的领域，如能源，新材料，环境等等。

生物学家的工作是建立在实验的基础上，所以生物力学的研究必须以实验为基础。实验中采用的传统仪器一般有光镊、光刀、高速摄像机，扫描电子显微镜，原子力显微镜等等，同时也要根据不同的实验要求设计相应的仪器。所有的理论模型中所用的参数必须来源于实验测量。

同时也必须看到，光有数学、工程的知识解决生物问题是远远不够的，必须学习生理、医学，控制、信息方面的新知识，与我们的力学理论相结合。这样一方面可以解决实际问题，同时也可以丰富、发展力学的理论。而理解生命、认识自然这么一个古老的命题，也并非光靠科学知识就能弄清楚其中奥秘的。我们还需要综合伦理学、宗教、艺术、哲学等，才能真正揭开生命的奥秘，才能开启大自然之门。

参考文献

[1]     马克思. 马克思恩格斯全集26卷. 北京：人民出版社，1972. 116页.

[2]     钱学森. 现代力学—在1978年全国力学规划会议上的发言. 力学与实践，1979，1（1）：4－9.

[3]     冯元桢. 生物力学. 北京：科学出版社，1983.

[4]     Gan R. Z., Sun Q. L., Feng B., et al. Acoustic-structural coupled finite element analysisi for sound transmission in human ear-Pressure distributions. Medical Engineering Physics, 2006, 28: 395-404.

[5]     Fang H. R., Tang T., Zhang X. M., et al. Finite element modeling of cardiac pacing/defibrillation lead interaction with heart. Fracture and Strength of Solids VI, PTS 1 and 2 Key Engineering Materials, 2006, 206-308: 1271-1276.

[6]     Ceinhuis C, Barthlott W. Characterization and distribution of water-repellent, self-cleaning plant surfaces. Ann. Bot., 1997, 79: 667-677.

[7]     Zheng QS, Yu Y, Zhao ZH. Effects of hydraulic pressure on the stability and transition of wetting modes of superhydrophobic surfaces. Langmuir, 2005, 21: 12207- 12212.

[8]     Yao H., Gao H. J.. Mechanics of robust and releasable adhesion in biology: Bottom-up designed hierarchical structures of gecko. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2006, 54: 1120-1146.

[9]     M. 谢尔格，S. 戈尔博. 微/纳米生物摩擦学—大自然的选择. 北京：机械工业出版社，2004.

[10]    Sun M. , Xiong Y. Dynamic flight stability of a hovering bumble bee, J. Exp. Biol., 2005, 208: 447-459.

[11]    Zhu C., Lou J. Z., McEver R. P. Catch bonds: Physical models, structural bases, biological function and rheological relevance. Biorheology, 2005, 42: 443-462.

[12]    Zhu C., Long M., Chesla S. F., et al. Measuring receptor/ligand interaction at the single-bond level: Experimental and interpretative issues. Annals of Biomedical Engineering, 2002, 30: 305-314.

[13]    Rastegar S., Bao G. Annals of biomedical engineering-introduction to preface. Annals of Biomedical Engineering, 2006, 34: 1-2.

[14]    Gao H. J., Shi W. D., Freund L. B. Mechanics of receptor-mediated endocytosis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2005, 102: 9469-9474.

A Rough Viewpoint on Biological Mechanics

Liu Jinlin

（Department of Engineering Mechanics, China University of Petroleum, Qingdao, 266555）

Abstract:

Mechanics is the real foundation of large industries, and its task is to understand and change nature. So in Biological Mechanics, one can make some contributions according to their modeling, simulation and solving equations. In this paper, three areas are mainly reviewed. Biomedical Mechanics is to solve the mechanical problems in biology and medicine. And Biomimic Mechanics is to learn from nature, and produce what we need according to the optimized functions of biology. Life Science is to investigate life from cells and DNA. In the above areas, main research results are introduced. Then some organizations studying Biological Mechanics are listed out. Finally, some viewpoints on Biological Mechanics are formulated.

Key words: Biological Mechanics, Biomedical Engineering, Biomimic Mechanics, Life Science, research organization, developing outlook

 

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