Biomecánica
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La biomecánica es el estudio de la estructura, función y movimiento de los aspectos mecánicos de los sistemas biológicos, en cualquier nivel, desde organismos completos hasta órganos, células y orgánulos celulares, utilizando los métodos de la mecánica. La biomecánica es una rama de la biofísica.
En 2022, la mecánica computacional va mucho más allá de la mecánica pura e involucra otras acciones físicas: química, transferencia de calor y masa, estímulos eléctricos y magnéticos y muchas otras.
Etimología
La palabra "biomecánica" (1899) y la "biomecánica" (1856) provienen del griego antiguo βίος bios "vida" y μηχανική, mēchanikē "mecánica", para referirse al estudio de los principios mecánicos de los organismos vivos, particularmente su movimiento y estructura.
Subcampos
Mecánica de biofluidos
La mecánica de fluidos biológicos, o mecánica de biofluidos, es el estudio de los flujos de fluidos líquidos y gaseosos en o alrededor de organismos biológicos. Un problema de biofluidos líquidos estudiado a menudo es el del flujo sanguíneo en el sistema cardiovascular humano. Bajo ciertas circunstancias matemáticas, el flujo sanguíneo se puede modelar mediante las ecuaciones de Navier-Stokes. Se supone que la sangre total in vivo es un fluido newtoniano incompresible. Sin embargo, esta suposición falla cuando se considera el flujo directo dentro de las arteriolas. A escala microscópica, los efectos de los glóbulos rojos individuales se vuelven significativos y la sangre completa ya no puede modelarse como un continuo. Cuando el diámetro del vaso sanguíneo es ligeramente mayor que el diámetro de los glóbulos rojos, se produce el efecto Fahraeus-Lindquist y hay una disminución de la tensión de cizallamiento de la pared. Sin embargo, a medida que el diámetro del vaso sanguíneo disminuye aún más, los glóbulos rojos tienen que pasar a través del vaso y, a menudo, solo pueden pasar en una sola fila. En este caso, ocurre el efecto inverso de Fahraeus-Lindquist y aumenta el esfuerzo cortante de la pared.
Un ejemplo de un problema de biofluidos gaseosos es el de la respiración humana. Recientemente, los sistemas respiratorios en insectos se han estudiado para bioinspiración para diseñar dispositivos de microfluidos mejorados.
Biotrilogía
La biotrilogía es el estudio de la fricción, el desgaste y la lubricación de los sistemas biológicos, especialmente las articulaciones humanas, como las caderas y las rodillas. En general, estos procesos se estudian en el contexto de la mecánica de contacto y la tribología.
Aspectos adicionales de la biotribología incluyen el análisis del daño subsuperficial resultante del contacto de dos superficies durante el movimiento, es decir, el roce entre sí, como en la evaluación del cartílago de ingeniería tisular.
Biomecánica comparativa
La biomecánica comparativa es la aplicación de la biomecánica a organismos no humanos, ya sea para obtener una mayor comprensión de los humanos (como en la antropología física) o de las funciones, la ecología y las adaptaciones de los propios organismos. Las áreas comunes de investigación son la locomoción y la alimentación de los animales, ya que tienen fuertes conexiones con la aptitud del organismo e imponen altas demandas mecánicas. La locomoción animal, tiene muchas manifestaciones, entre ellas correr, saltar y volar. La locomoción requiere energía para superar la fricción, el arrastre, la inercia y la gravedad, aunque el factor predominante varía según el entorno.
La biomecánica comparativa se superpone fuertemente con muchos otros campos, incluidos la ecología, la neurobiología, la biología del desarrollo, la etología y la paleontología, hasta el punto de publicar artículos en las revistas de estos otros campos. La biomecánica comparativa a menudo se aplica en medicina (con respecto a organismos modelo comunes como ratones y ratas), así como en biomimética, que busca en la naturaleza soluciones a problemas de ingeniería.
Biomecánica computacional
La biomecánica computacional es la aplicación de herramientas computacionales de ingeniería, como el método de elementos finitos, para estudiar la mecánica de los sistemas biológicos. Los modelos computacionales y las simulaciones se utilizan para predecir la relación entre parámetros que, de otro modo, serían difíciles de probar experimentalmente, o se utilizan para diseñar experimentos más relevantes que reducen el tiempo y los costos de los experimentos. El modelado mecánico mediante el análisis de elementos finitos se ha utilizado para interpretar la observación experimental del crecimiento de células vegetales para comprender cómo se diferencian, por ejemplo. En medicina, durante la última década, el método de elementos finitos se ha convertido en una alternativa establecida para la evaluación quirúrgica in vivo. Una de las principales ventajas de la biomecánica computacional radica en su capacidad para determinar la respuesta endoanatómica de una anatomía, sin estar sujeta a restricciones éticas. Esto ha llevado al modelado FE (u otras técnicas de discretización) hasta el punto de volverse omnipresente en varios campos de la biomecánica, mientras que varios proyectos incluso han adoptado una filosofía de código abierto (por ejemplo, BioSpine) y SOniCS, así como los marcos SOFA, FEniCS y FEBio.
La biomecánica computacional es un ingrediente esencial en la simulación quirúrgica, que se utiliza para la planificación, asistencia y capacitación quirúrgica. En este caso, los métodos numéricos (discretización) se utilizan para calcular, lo más rápido posible, la respuesta de un sistema a condiciones de contorno como fuerzas, transferencia de calor y masa, estímulos eléctricos y magnéticos.
Biomecánica experimental
La biomecánica experimental es la aplicación de experimentos y mediciones en biomecánica.
Biomecánica continua
El análisis mecánico de biomateriales y biofluidos generalmente se lleva a cabo con los conceptos de mecánica continua. Esta suposición se rompe cuando las escalas de longitud de interés se aproximan al orden de los detalles microestructurales del material. Una de las características más destacables de los biomateriales es su estructura jerárquica. En otras palabras, las características mecánicas de estos materiales se basan en fenómenos físicos que ocurren en múltiples niveles, desde el molecular hasta los niveles de tejido y órgano.
Los biomateriales se clasifican en dos grupos, tejidos duros y blandos. La deformación mecánica de los tejidos duros (como la madera, la concha y el hueso) puede analizarse con la teoría de la elasticidad lineal. Por otro lado, los tejidos blandos (como la piel, los tendones, los músculos y los cartílagos) suelen sufrir grandes deformaciones y, por lo tanto, su análisis se basa en la teoría de la deformación finita y las simulaciones por computadora. El interés en la biomecánica continua es estimulado por la necesidad de realismo en el desarrollo de la simulación médica.
Biomecánica vegetal
La aplicación de principios biomecánicos a plantas, órganos y células vegetales se ha convertido en el subcampo de la biomecánica vegetal. La aplicación de la biomecánica para las plantas abarca desde el estudio de la resistencia de los cultivos al estrés ambiental hasta el desarrollo y la morfogénesis a escala celular y tisular, superponiéndose a la mecanobiología.
Biomecánica deportiva
En la biomecánica deportiva, las leyes de la mecánica se aplican al movimiento humano para obtener una mayor comprensión del rendimiento deportivo y también para reducir las lesiones deportivas. Se centra en la aplicación de los principios científicos de la física mecánica para comprender los movimientos de acción de los cuerpos humanos y los implementos deportivos como el bate de cricket, el palo de hockey y la jabalina, etc. Elementos de ingeniería mecánica (p. ej., medidores de tensión), ingeniería eléctrica (p. ej., filtrado digital), informática (p. ej., métodos numéricos), análisis de la marcha (p. ej., plataformas de fuerza) y neurofisiología clínica (p. ej., EMG de superficie) son métodos comunes utilizados en la biomecánica deportiva.
La biomecánica en el deporte se puede definir como las acciones musculares, articulares y esqueléticas del cuerpo durante la ejecución de una determinada tarea, destreza y/o técnica. La comprensión adecuada de la biomecánica relacionada con la habilidad deportiva tiene las mayores implicaciones en: el rendimiento deportivo, la rehabilitación y la prevención de lesiones, junto con el dominio deportivo. Como señaló el Doctor Michael Yessis, se podría decir que el mejor atleta es el que mejor ejecuta su habilidad.
Biomecánica vascular
Los principales temas de la biomecánica vascular es la descripción del comportamiento mecánico de los tejidos vasculares.
Es bien sabido que la enfermedad cardiovascular es la principal causa de muerte en todo el mundo. El sistema vascular en el cuerpo humano es el componente principal que se supone que mantiene la presión y permite el flujo sanguíneo y los intercambios químicos. Estudiar las propiedades mecánicas de este complejo tejido mejora la posibilidad de comprender mejor las enfermedades cardiovasculares y mejorar drásticamente la medicina personalizada.
Los tejidos vasculares no son homogéneos con un comportamiento fuertemente no lineal. En general, este estudio implica una geometría compleja con condiciones de carga y propiedades del material intrincadas. La descripción correcta de estos mecanismos se basa en el estudio de la fisiología y la interacción biológica. Por lo tanto, es necesario estudiar la mecánica de la pared y la hemodinámica con su interacción.
También es necesario tener como premisa que la pared vascular es una estructura dinámica en continua evolución. Esta evolución sigue directamente el entorno químico y mecánico en el que están inmersos los tejidos, como la tensión de cizallamiento de la pared o la señalización bioquímica.
Otros subcampos aplicados de la biomecánica incluyen
- Allometry
- Animal locomotion & Gait analysis
- Biotribología
- Mecánica biofluida
- Biomecánica cardiovascular
- Biomecánica comparada
- Biomecánica computacional
- Ergonomy
- Biomecánica Forense
- Ingeniería de factores humanos y biomecánica ocupacional
- Biomecánica de lesiones
- Implanta (medicina), Ortopedia y Protesis
- Kinaesthetics
- Kinesiología (cinética + fisiología)
- Biomecánica musculoesquelética ortopédica
- Rehabilitación
- Dinámicas del cuerpo blando
- Biomecánica deportiva
Historia
Antigüedad
Aristóteles, alumno de Platón, puede ser considerado el primer biomecánico, por su trabajo con la anatomía animal. Aristóteles escribió el primer libro sobre el movimiento de los animales, De Motu Animalium, o Sobre el movimiento de los animales. No solo vio los cuerpos de los animales como sistemas mecánicos, sino que abordó cuestiones como la diferencia fisiológica entre imaginarse realizando una acción y realizarla realmente. En otro trabajo, Sobre las partes de los animales, proporcionó una descripción precisa de cómo el uréter utiliza el peristaltismo para transportar la orina desde los riñones hasta la vejiga.
Con el surgimiento del Imperio Romano, la tecnología se volvió más popular que la filosofía y surgió la próxima biomecánica. Galeno (129 d. C.-210 d. C.), médico de Marco Aurelio, escribió su famosa obra Sobre la función de las partes (sobre el cuerpo humano). Este sería el libro de medicina estándar del mundo durante los próximos 1.400 años.
Renacimiento
La próxima gran biomecánica no existiría hasta 1452, con el nacimiento de Leonardo da Vinci. Da Vinci fue un artista, mecánico e ingeniero. Contribuyó a proyectos de mecánica y de ingeniería militar y civil. Tenía un gran conocimiento de la ciencia y la mecánica y estudió anatomía en un contexto mecánico. Analizó las fuerzas y los movimientos de los músculos y estudió las funciones de las articulaciones. Estos estudios podrían considerarse estudios en el ámbito de la biomecánica. Leonardo da Vinci estudió anatomía en el contexto de la mecánica. Analizó las fuerzas musculares actuando a lo largo de las líneas que conectan los orígenes y las inserciones, y estudió la función articular. Da Vinci tendía a imitar algunas características animales en sus máquinas. Por ejemplo, estudió el vuelo de las aves para encontrar medios por los cuales los humanos pudieran volar; y debido a que los caballos eran la principal fuente de poder mecánico en ese momento, estudió sus sistemas musculares para diseñar máquinas que se beneficiaran mejor de las fuerzas aplicadas por este animal.
En 1543, el trabajo de Galeno, Sobre la función de las partes, fue desafiado por Andreas Vesalius a la edad de 29 años. Vesalius publicó su propio trabajo llamado Sobre la estructura del cuerpo humano. En este trabajo, Vesalio corrigió muchos errores cometidos por Galeno, que no serían aceptados globalmente durante muchos siglos. Con la muerte de Copérnico surgió un nuevo deseo de comprender y aprender sobre el mundo que rodea a las personas y cómo funciona. En su lecho de muerte, publicó su obra Sobre las revoluciones de las esferas celestiales. Este trabajo no solo revolucionó la ciencia y la física, sino también el desarrollo de la mecánica y, posteriormente, de la biomecánica.
Galileo Galilei, el padre de la mecánica y biomecánica a tiempo parcial nació 21 años después de la muerte de Copérnico. Galileo pasó muchos años en la facultad de medicina y, a menudo, cuestionaba todo lo que enseñaban sus profesores. Descubrió que los profesores no podían probar lo que enseñaban, así que pasó a las matemáticas, donde todo tenía que ser probado. Luego, a la edad de 25 años, fue a Pisa y enseñó matemáticas. Era un muy buen conferencista y los estudiantes dejaban que sus otros instructores lo escucharan hablar, por lo que se vio obligado a renunciar. Luego se convirtió en profesor en una escuela aún más prestigiosa en Padua. Su espíritu y enseñanzas conducirían al mundo una vez más en la dirección de la ciencia. A lo largo de sus años de ciencia, Galileo dio a conocer muchos aspectos biomecánicos. Por ejemplo, descubrió que los "animales' las masas aumentan desproporcionadamente a su tamaño y, en consecuencia, sus huesos también deben aumentar desproporcionadamente en circunferencia, adaptándose a la carga en lugar del mero tamaño. La resistencia a la flexión de una estructura tubular, como un hueso, aumenta en relación con su peso haciéndola hueca y aumentando su diámetro. Los animales marinos pueden ser más grandes que los animales terrestres porque la flotabilidad del agua alivia el peso de sus tejidos.
Galileo Galilei estaba interesado en la fuerza de los huesos y sugirió que los huesos son huecos porque esto proporciona la máxima fuerza con el mínimo peso. Señaló que los animales' las masas óseas aumentaron desproporcionadamente a su tamaño. En consecuencia, los huesos también deben aumentar desproporcionadamente en circunferencia en lugar de mero tamaño. Esto se debe a que la resistencia a la flexión de una estructura tubular (como un hueso) es mucho más eficiente en relación con su peso. Mason sugiere que esta idea fue una de las primeras captaciones de los principios de la optimización biológica.
En el siglo XVII, Descartes sugirió un sistema filosófico por el cual todos los sistemas vivos, incluido el cuerpo humano (pero no el alma), son simplemente máquinas gobernadas por las mismas leyes mecánicas, una idea que hizo mucho para promover y sostener el estudio biomecánico..
Era industrial
El próximo gran biomecánico, Giovanni Alfonso Borelli, abrazó a Descartes ' filosofía mecánica y estudió caminar, correr, saltar, el vuelo de los pájaros, el nado de los peces e incluso la acción del pistón del corazón dentro de un marco mecánico. Pudo determinar la posición del centro de gravedad humano, calcular y medir los volúmenes de aire inspirado y espirado, y demostró que la inspiración es impulsada por los músculos y la espiración se debe a la elasticidad de los tejidos.
Borelli fue el primero en entender que "las palancas del sistema muscular magnifican el movimiento en lugar de la fuerza, por lo que los músculos deben producir fuerzas mucho mayores que las que resisten el movimiento". Influenciado por el trabajo de Galileo, a quien conocía personalmente, tuvo una comprensión intuitiva del equilibrio estático en varias articulaciones del cuerpo humano mucho antes de que Newton publicara las leyes del movimiento. Su trabajo a menudo se considera el más importante en la historia de la biomecánica porque hizo muchos descubrimientos nuevos que abrieron el camino para que las generaciones futuras continuaran con su trabajo y sus estudios.
Pasaron muchos años después de Borelli antes de que el campo de la biomecánica diera un gran salto. Después de ese tiempo, más y más científicos comenzaron a aprender sobre el cuerpo humano y sus funciones. No hay muchos científicos notables del siglo XIX o XX en biomecánica porque el campo es demasiado amplio ahora para atribuir una cosa a una sola persona. Sin embargo, el campo continúa creciendo cada año y continúa avanzando en el descubrimiento de más sobre el cuerpo humano. Debido a que el campo se volvió tan popular, muchas instituciones y laboratorios se abrieron durante el último siglo y la gente continúa investigando. Con la creación de la Sociedad Estadounidense de Biomecánica en 1977, el campo continúa creciendo y realizando muchos descubrimientos nuevos.
En el siglo XIX, Étienne-Jules Marey utilizó la cinematografía para investigar científicamente la locomoción. Abrió el campo del moderno 'análisis de movimiento' siendo el primero en correlacionar las fuerzas de reacción del suelo con el movimiento. En Alemania, los hermanos Ernst Heinrich Weber y Wilhelm Eduard Weber formularon muchas hipótesis sobre la marcha humana, pero fue Christian Wilhelm Braune quien hizo avanzar significativamente la ciencia utilizando los avances recientes en ingeniería mecánica. Durante el mismo período, la ingeniería mecánica de materiales comenzó a florecer en Francia y Alemania bajo las exigencias de la revolución industrial. Esto condujo al renacimiento de la biomecánica ósea cuando el ingeniero ferroviario Karl Culmann y el anatomista Hermann von Meyer compararon los patrones de tensión en un fémur humano con los de una grúa de forma similar. Inspirándose en este hallazgo, Julius Wolff propuso la famosa ley de remodelación ósea de Wolff.
Aplicaciones
El estudio de la biomecánica abarca desde el funcionamiento interno de una célula hasta el movimiento y desarrollo de las extremidades, las propiedades mecánicas de los tejidos blandos y los huesos. Algunos ejemplos simples de investigación biomecánica incluyen la investigación de las fuerzas que actúan sobre las extremidades, la aerodinámica del vuelo de pájaros e insectos, la hidrodinámica de nadar en peces y la locomoción en general en todas las formas de vida, desde células individuales hasta organismos completos. Con una comprensión cada vez mayor del comportamiento fisiológico de los tejidos vivos, los investigadores pueden avanzar en el campo de la ingeniería de tejidos, así como desarrollar tratamientos mejorados para una amplia gama de patologías, incluido el cáncer.
La biomecánica también se aplica al estudio de los sistemas musculoesqueléticos humanos. Dicha investigación utiliza plataformas de fuerza para estudiar las fuerzas de reacción del suelo humano y videografía infrarroja para capturar las trayectorias de los marcadores adheridos al cuerpo humano para estudiar el movimiento 3D humano. La investigación también aplica la electromiografía para estudiar la activación muscular, investigando las respuestas musculares a las fuerzas y perturbaciones externas.
La biomecánica se usa ampliamente en la industria ortopédica para diseñar implantes ortopédicos para articulaciones humanas, piezas dentales, fijaciones externas y otros fines médicos. La biotribología es una parte muy importante de ella. Es un estudio del desempeño y función de los biomateriales utilizados para implantes ortopédicos. Desempeña un papel vital para mejorar el diseño y producir biomateriales exitosos para fines médicos y clínicos. Un ejemplo de ello es el cartílago de ingeniería tisular. Emanuel Willert analiza en detalle la carga dinámica de las juntas consideradas como impacto.
También está relacionado con el campo de la ingeniería, ya que a menudo utiliza ciencias de la ingeniería tradicionales para analizar sistemas biológicos. Algunas aplicaciones simples de la mecánica newtoniana y/o las ciencias de los materiales pueden proporcionar aproximaciones correctas a la mecánica de muchos sistemas biológicos. La mecánica aplicada, sobre todo las disciplinas de ingeniería mecánica como la mecánica continua, el análisis de mecanismos, el análisis estructural, la cinemática y la dinámica, desempeñan un papel destacado en el estudio de la biomecánica.
Por lo general, los sistemas biológicos son mucho más complejos que los sistemas construidos por el hombre. Por lo tanto, los métodos numéricos se aplican en casi todos los estudios biomecánicos. La investigación se realiza en un proceso iterativo de hipótesis y verificación, que incluye varios pasos de modelado, simulación por computadora y mediciones experimentales.
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