Исследования в области биомеханики имеют столь же древнюю историю, как и исследования по биологии и механике. Исследования, которые по современным понятиям относятся к области биомеханики, были известны еще в древнем Египте. В знаменитом египетском папирусе (The Edwin Smith Surgical Papyrus, 1800 лет до н.э.) описаны различные случаи двигательных повреждений, в том числе паралич вследствие дислокации позвонков, проведена их классификация, даны методы лечения и прогноз.
Сократ, живший ок. 470-399 гг. до н.э., учил, что мы не сможем постигнуть окружающий мир, пока не постигнем нашу собственную природу. Древние греки и римляне многое знали о магистральных кровеносных сосудах и клапанах сердца, умели прослушивать работу сердца (например, греческий врач Аретей во 2-м веке до н.э.) [БСЭ.т.2.с.414-415].
Герофил из Халцедока (3 в. до н.э.) различал среди сосудов артерии и вены.
Отец современной медицины древнегреческий врач Гиппократ провел реформу античной медицины, отделив ее от методов лечения заклинаниями, молитвами и принесением жертвы богам. В трактатах "Вправление сочленений", "Переломы", "Раны головы" он провел классификацию известных в то время повреждений опорно-двигательной системы и предложил методы их лечения, в частности механические, с помощью тугих повязок, вытяжения, фиксации [Бородулин, История медицины]. По-видимому, уже в то время появились первые усовершенствованные протезы конечностей, которые служили в том числе для выполнения отдельных функций. Во всяком случае, у Плиния Старшего есть упоминание об одном римском командующем, который участвовал во второй Пунической войне (218-210 в.до н.э.). После полученной раны ему была ампутирована правая рука и заменена железной. При этом он мог протезом удерживать щит и участвовал в битвах.
Платон создал учение об идеях – неизменных умопостигаемых прообразах всех вещей. Анализируя форму человеческого тела, он учил, что «боги, подражая очертаниям Вселенной … включили оба божественных круговращения в сферовидное тело … которое мы ныне именуем головой». Устройство опорно-двигательной системы понимается им так: «чтобы голова не катилась по земле, всюду покрытой буграми и ямами … тело стало продолговатым и, по замыслу бога, сделавшего его подвижным, произрастило из себя четыре конечности, которые можно вытягивать и сгибать; цепляясь ими и опираясь на них, оно приобрело способность всюду продвигаться…». Метод рассуждений Платона об устройстве мира и человека построен на логическим исследовании, которое «должно идти таким образом, чтобы добиться наибольшей степени вероятности» [Платон].
Великий древнегреческий философ Аристотель, сочинения которого охватывают практически все области науки того времени, составил первое подробное описание строения и функций отдельных органов и частей тела животных [Аристотель, 1937] и заложил основы современной эмбриологии [Аристотель, 1940]. В возрасте семнадцати лет Аристотель, сын врача из Стагиры, пришел в Афины учиться в Академии Платона (428-348 гг.до н.э.). Пробыв в Академии двадцать лет и став одним из самых близких учеников Платона, Аристотель оставил ее только после смерти учителя. Впоследствии он занялся анатомией и исследованием структуры животных, собирая разнообразные факты и проводя эксперименты и вскрытия. Многие уникальные наблюдения и открытия были им сделаны в этой области. Так, Аристотель впервые установил биение сердца куриного эмбриона на третий день развития, описал жевательный аппарат морских ежей («Аристотелев фонарь») и многое другое [Аристотель, 1937]. В поисках движущей силы кровотока, Аристотель предложил механизм движения крови, связанный с ее нагреванием в сердце и охлаждением в легких: «движение сердца похоже на движение жидкости, которую заставляет кипеть теплота».
В своих трудах «О частях животных», «О движении животных» («De Motu Animalium»), «О происхождении животных» Аристотель впервые рассмотрел строение тел более 500 видов живых организмов, организацию работы систем органов, ввел сравнительный метод исследования. При классификации животных он разделил их на две крупные группы - имеющих кровь и бескровных. Это деление сходно с существующим ныне делением на позвоночных и беспозвоночных животных. По способу перемещения Аристотель выделил также группы двуногих, четвероногих, многоногих и безногих животных. Он первый описал ходьбу как процесс, в котором вращательное движение конечностей преобразуется в поступательное движение тела, впервые отметил несимметричный характер движения (опора на левую ногу, перенос тяжестей на левом плече, свойственные правшам). Наблюдая за движениями человека, Аристотель заметил, что отбрасываемая фигурой тень не стене описывает не прямую, а зигзагообразную линию. Им выделены и описаны органы, различные по структуре, но одинаковые по функциям, например, чешуя у рыб, перья у птиц, волосяной покров у животных. Аристотель исследовал условия равновесия тела птиц (двуногая опора). Размышляя о движении животных, он выделил двигательные механизмы: «…движущее при помощи органа есть то, у чего начало совпадает с концом, как в сочленении. Ведь в сочленении имеется выпуклое и полое, одно из них – конец, другое – начало…одно покоится, другое движется … Все движется через толчок или натяжение» [Аристотель, 1976].
Аристотель первым описал легочную артерию и ввел термин «аорта», отметил корреляции структуры отдельных частей тела, указал на взаимодействие органов в организме, заложил основы учения о биологической целесообразности и сформулирован «принцип экономии»: «что природа отнимает в одном месте, то дает в другом». Он впервые описал различия в структуре кровеносной, дыхательной, опорно-двигательной систем разных животных и их жевательного аппарата [Аристотель, 1937б 1940]. В отличие от своего учителя, Аристотель не рассматривал «мир идей» как нечто внешнее по отношению к материальному миру, а ввел «идеи» Платона в качестве составной части природы, ее основного начала, организующего материю. Впоследствии это начало трансформируется в понятия «жизненной энергии», «животных духов».
Великий древнегреческий ученый Архимед заложил основы современной гидростатики своими исследованиями гидростатических принципов, управляющих плавающим телом и исследованиями плавучести тел. Он первым применил математические методы к изучению задач механики, сформулировав и доказав ряд утверждений о равновесии тел и о центре тяжести в виде теорем. Принцип рычага, широко использовавшийся Архимедом для создания строительных конструкций и военных машин, станет одним из первых механических принципов, примененным в биомеханике опорно-двигательной системы. В трудах Архимеда содержатся идеи о сложении движений (прямолинейного и кругового при движении тела по спирали), о непрерывном равномерном приращении скорости при ускорении тела, которые впоследствии Галилей назовет как основу своих фундаментальных трудов по динамике [Григорьян, 1974].
В классическом труде «О частях человеческого тела» знаменитый древнеримский врач Гален дал первое в истории медицины целостное описание анатомии и физиологии человека. Эта книга прослужила учебником и настольной книгой по медицине в течение почти полутора тысяч лет. Гален положил начало физиологии, делая первые наблюдения и эксперименты на живых животных и изучая их скелеты. Он ввел в медицину вивисекцию – операции и исследования на живом животном с целью исследования функций организма и разработки методов лечения заболеваний. Он обнаружил, что в живом организме мозг контролирует рече- и звукообразование, что артерии заполнены кровью, а не воздухом и, как мог, исследовал пути перемещения крови в организме, описал структурные различия артерий и вен, обнаружил клапаны сердца. Гален не проводил вскрытий и, возможно, поэтому в его труды попали неверные представления, например, об образовании венозной крови в печени, а артериальной – в левом желудочке сердца. Он не знал также о существовании двух кругов кровообращения и значения предсердий. В своем труде «De motu musculorum» он описал различие между моторными и сенсорными нейронами, мышцами-агонистами и антагонистами, впервые описал тонус мышц. Причиной мышечного сокращения он считал «животные духи», поступающие из мозга в мышцу по нервным волокнам [БМЭ/медицина]. Исследуя организм, Гален пришел к убеждению, что в природе ничто не излишне и сформулировал философский принцип о том, что, исследуя природу, можно прийти к пониманию замысла бога.
В эпоху средневековья, даже при всевластии инквизиции, было сделано очень многое, особенно в анатомии, что впоследствии послужило основой дальнейшего развития биомеханики.
Свое особое место в истории науки занимают результаты исследований, осуществлявшихся в арабском мире и в странах Востока: свидетельством тому служат многие литературные произведения и медицинские трактаты. Арабский врач и философ Ибн Сина (Авиценна) заложил основы рациональной медицины, сформулировал рациональные основания для постановки диагноза на основании обследования пациента (в частности, анализа пульсовых колебаний артерий). Революционность его подхода станет понятной, если вспомнить, что в то время западная медицины, восходившая к Гиппократу и Галену, учитывала влияние звезд и планет на вид и ход течения болезни и выбор терапевтических средств [Петров, 1979].
