ХХ век: биомеханика как самостоятельный раздел науки. Развитие теории и приложений

К предыдущей странице




Эргономика как раздел современной биомеханики

         В 1857 г. польским естествоиспытателем В.Ястжембовским был введен термин «эргономика» [БСЭ, эргономика] и новая наука начала интенсивно развиваться в разных странах мира. Символической в этот период времени считалась фигура американского инженера Ф.У.Тейлора (F.W.Taylor 1856-1915), который предложил новую систему организации производства на основе рационализации трудовых движений и глубокого разделения труда [Кравченко 98]. Французский физиолог и специалист по эргономике Жюль Амар (Jules Amar 1879 - ?) проанализировал физические и физиологическое составляющие трудовых движений рабочих и сформулировал концепцию «человеческого мотора» («Le moteur humain» 1913). Вопреки исследованиям Тейлора, в ходе которых не использовались новейшие на тот момент методы анализа механики трудовых движений, а только хронометраж, в лаборатории Амара проводились масштабные исследования движений рабочих и походки человека с помощью хронофотографии и других эргономических приборов. Результаты исследований были изложены в книге «Organisation physiologique du travail» (1917), где проведены оценки эффективности движений, показано разнообразие кинематических схем их выполнения и изложено представление об «искусстве работы». Амар сконструировал велоэргометр, соединив динамометр Марея с педальным устройством, респиратором и эргографом. Частота вращения педалей задавалась метрономом. В сочетании с хронофотографией, велоэргометр позволял получать целый ряд количественных параметров об энергетических затратах организма, проводить оценки эффективности движения, выявлять количественные признаки усталости, анализировать химический состав и скорость выдыхаемого воздуха, фиксировать отдельные кадры очень быстрых движений. Впоследствии велоэргометрические исследования проводились Амаром в сочетании с кардио- и сфигмографией [Brauer]. Проводя количественные исследования походки инвалидов на протезах конечностей, Амар преложил новую методику расчета трех компонент сил и вращающих моментов в отдельных кинематических звеньях тела, разработал комплекс реабилитационных мероприятий по обучению пользования протезом, при котором инвалид становился активным участником творческого процесса оптимизации движения и снижения энергозатрат. Американские исследователи супруги Лилиан и Франк Гилбрет (Lillian 1878-1972 и Frank Gilbreth 1868-1924) провели детальные исследования условий труда, устройства рабочего места, структуры трудовых движений каменщиков. В результате были предложены усовершенствования, позволившие снизить число движений, приходящихся на укладку одного кирпича с 18 до 4,5 [Gilbreth 1909]. При исследованиях использовались запись трудовых движений на кинопленку и детальный хронометраж, а дальнейший анализ был связан с разделением движений на отдельные функциональные блоки, для обозначения которых был введен термин therbligs (фамилия автора, прочитанная справа налево). Помимо оценок времени выполнения отдельных блоков, никакие биомеханические параметры не оценивались. Полученные результаты позволили оптимизировать рабочие места, уменьшить двигательную нагрузку и затраты энергии на выполнение движений для представителей разных профессий и инвалидов [Gilbreth 1920]. Идеи рациональной организации повторяющихся движений были использованы для создания эргономичного жилья для людей с различными недомоганиями, обустройства кухни – постоянного рабочего места домохозяйки. Эргономические исследования в России связаны с именем Алексея Капитоновича Гастева (1882-1941) - русского ученого и поэта, перу которого принадлежат труды по эргономике и рациональной организации и культуре труда («Как надо работать» 1921, «Трудовые установки» 1924). Он был основателем и руководителем Центрального института труда (ЦИТ, 1921 г.), в стенах которого изучались трудовые движения в производственных процессах и организация рабочего места. Важнейшей задачей считалось изучение организма человека как «живой машины» и влияния на ее «функционирование» различных условий (психоэмоциональные факторы, усталость, слуховые и звуковые анализаторы). Проводились лабораторные исследования и эксперименты по биомеханике, выделялись и тренировались отдельные типы движений, создавалась методика быстрого и массового, в духе того времени, обучения трудовым приемам. Проводился анализ кинематики трудовых движений на основе использования специальных камер с «системой координат» (рис.), траектории движения тени по стене и фотоснимков. Были выделены типы трудовых движений (ударные и нажимные) и составленные из них последовательности «двигательных цепочек» [Гастев 1924, Кравченко 1998]. Во все времена среди ученых были люди, отличавшиеся особой энциклопедичностью знаний и широтой научных интересов; читатель без труда укажет имена таких естествоиспытателей среди упомянутых здесь и далее. Но по мере воздвижения барьеров между различными областями науки и роста числа исследователей доля энциклопедистов среди них неуклонно убывала. Девятнадцатый век еще явил созвездие имен физиков и врачей, одинаково блестяще работавших: первые - в медицине, вторые в физике. Увы, в XX веке врачи и биологи перестали стесняться того, что квадратный корень для них непостижимым, а механики и физики - своих до неприличия скудных познаний по совершенно элементарным вопросам биологии. И все же в первой половине века мы находим примеры естественного сочетания физического и биологического мышления. Русский физиолог В.В.Воронин (1870-1960) исследовал и движение клеток (хемотаксис), и механику сердечно-сосудистой системы, и теплоотдачу организмов. Особенно нужно выделить исследования Н.А.Бернштейна, который не только заложил систематические основы современной науки об организации движений, но и создал первое научное учреждение, специализированное в области биомеханики (?). Однако это не меняло общей картины - биомеханика не еще существовала в качестве самостоятельной науки. Уже в 20-е годы текущего столетия биомеханика (обычно под другими названиями) включалась в энциклопедии по механике [Gocke]. Но как самостоятельное научное направление на пересечении современной механики, биологии и других дисциплин биомеханика возникла в последние 20-30 лет [Биомеханика: проблемы и исследования с.233-245; Медицинская биомеханика т.4,с.646-671; Достижения биомеханики в медицине с.39--59; Регирер 1980]. Интерес к проблемам механики, связанным со строением и функционированием живых систем, не в последнюю очередь был обусловлен чисто практическими нуждами, связанными с необходимостью более адекватных и детальных знаний о строении и функции организма человека как в норме, так и при заболеваниях, с тем, чтобы иметь возможность проводить наиболее целесообразными путями различного рода медицинские вмешательства. В середине XX в. на смену разрозненным, часто описательным работам в области биологической механики, пришли систематические исследования с привлечением самых современных физических методов и вычислительных машин. Механика, накопившая опыт исследования нетрадиционных для нее процессов с участием химических реакций, электромагнитных эффектов и т.д. в приложениях к проблемам химической технологии, термоядерного синтеза, космических полетов и т.д., созрела для изучения живого. В этом созревании важную роль сыграли достижения в общей теории сплошных сред, в численных методах решения сложных задач, в создании новых эффективных математических методов и методов эксперимента. Биология, в свою очередь, в разных своих областях стала выходить за привычные рамки и использовать математические методы - сначала для обработки результатов опытов, а затем и как аппарат для построения моделей биологических процессов. Представление о том, что механические процессы и свойства важны уже на клеточном и субклеточном уровнях возникло в связи с гипотезой, высказанной русским биологом Н.К.Кольцовым (1872-1940), после проведения большой серии экспериментов по исследованию движения и свойств жгутиков сперматозоидов о наличии в клетке скелетоподобных структур. В 1934 г. был создан первый в СССР отдел биомеханики при Всеукраинском институте ортопедии и травматологии (Харьков, Украина). В состав отдела вошли вначале всего три сотрудника – Лев Петрович Николаев (1898-1954), Ольга Викторовна Недригайлова-Николаева (1898-1972) и Николай Петрович Новаченко (1898-1966). По заданию Наркомата здравоохранения проводились антропометрические измерения, разрабатывались научные принципы создания рациональной обуви. В результате исследований были разработаны новые методики ортопедических операций. В послевоенные годы (1947, 1950, 1954) Л.П.Николаев выпустил трехтомный труд "Руководство по биомеханике в применении к ортопедии, травматологии и протезированию", который положил начало знакомству ортопедов страны с основами биомеханики. Новый этап развития биомеханики опорно-двигательной системы начался после второй мировой войны (1939-1945), когда многие тысячи инвалидов нуждались в реабилитации, разработке разных типов протезов и специальных биомеханических приспособлений. С именем американского физиолога Верна Инмана (Verne Thompson Inman, 1905-1980) связана организация масштабной междисциплинарной программы по исследованию физиологии, электрофизиологии и биомеханике ОДС и протезированию. В ходе работы предполагалось создание биоуправляемого протеза, по внешнему виду максимально приближенного к утраченной конечности, позволяющего выполнять разный набор движений. Результаты многолетних исследований позволили сформулировать утверждение, что двигательный акт наиболее эффективен, если в ходе его выполнения вертикальные и латеральные перемещения центра масс тела минимальны. Этот принцип был взят за основу для дифференцирования нормальных и патологических состояний ОДС [Inman 1981]. Вместе с Дэвисом Ховардом (Howard Davis Eberhart, 1906-1993) и Чаком Радклиффом (Chuck Radcliffe) Верн Инман организовал группу по исследованию протезов и имплантатов на инженерном факультете Калифорнийского университета Беркели, которая в 1957 г. стала лабораторией биомеханики. Здесь проводились исследования регенерации, закономерностей формирования аорты и сердца, появление патологий развития, биомеханики сочленений верхней и нижней конечностей, особенностей и причин нормальной и патологической походки [Saunders 1953, Bresler 1950] (Verne Inman, John Saunders (1903-1991), Boris Bresler (1919-2000)), развиты методы гониометрии [Lamoreux 1970] (Larry Lamoreux , 1936). В 1953 г. появилась теория скользящих нитей, лежащая в основе современных представлений о мышечном сокращении. Ее автор, внук известного биолога Томаса Гексли (Tomas Huxley) английский физиолог Андри Хаксли (Andrew Huxley, 1917), исследовавший ионные механизмы генерации электрического импульса в нейронах и роль поперечных мостиков при скольжении нитей, за создание этой теории был удостоен (совместно с А.Л.Ходжкином и Дж.Эклсом) Нобелевской премии (1963 г). Впоследствии приложения его теории провели к созданию методов рентгеновской дифракции и электронномикроскопических методов, позволивших понять молекулярную механику мышечного сокращения (см.пп.4,10). В работах Хью Хаксли (Hugh Esmor Huxley, 1924) было обнаружено существование двух типов нитей (толстых и тонких) в структуре миофибрилл и заложены основы молекулярной механики мышечного сокращения [Huxley 1969]. В 1954 г. японский хирург-ортопед И.Ясуда (Iwao Yasuda) предположил, что кость может являться пьезоэлектрическим материалом, в котором при механическом нагружении появляется электрический сигнал, стимулирующий рост кости в определенных направлениях в соответствии с законом Вольфа. Он продемонстрировал пьезоэффект в кости в ряде экспериментов, а в 1955 году стимулировал рост костей при наложении внешнего электрического поля у подопытных животных. Затем совместно с другим японским исследователем Э.Фукадой (Eiichi Fukada) он показал, что источником пьезоэффекта в костях и сухожилиях являются коллагеновые волокна. Впоследствии наличие пьезоэлектрических свойств было обнаружено и в других тканях, содержащих коллаген. В 1967 г. состоялся первый Международный Семинар по биомеханике (Цюрих, Швейцария), под эгидой ЮНЕСКО и Международного спорткомитета, который к 1975 г. перерос в Международный конгресс по биомеханике. В качестве тем, традиционно обсуждавшихся в рамках этого двухгодичного мероприятия были спортивная и клиническая биомеханика, эргономика, механика опорно-двигательной системы и локомоций. На первом конгрессе по биомеханике было образовано Международной общество биомехаников (International Society of Biomechanics, ISB).

К следующей странице