|
|
1. Механика и биология
(приводится по тексту:
Регирер С.А. Биомеханика. Обзор. Ин-т механики МГУ. Москва. 1990. - 71c.)
Биомеханика – это область естественных наук, изучающая и описывающая на основе идей и методов современной механики свойства биологических объектов и явления в них на всех уровнях организации (от клетки до высокоорганизованных существ) и в различных состояниях, включая периоды развития и увядания, при патологиях и т.п. Задачей биомеханики является также применение результатов подобных исследований для дальнейшего развития механики, биологии и медицины, в том числе для целей диагностики и создания заменителей тканей и органов, для разработки способов воздействия на процессы в живых объектах (включая профилактику и лечение), для создания методов анализа и коррекции естественных, трудовых и спортивных движений, при разработке методов защиты человека от неблагоприятных воздействий механических факторов. Биомеханика относится к тем областям, развитие которых необходимо для внедрения в медицину новейших достижений науки и техники.
Исследования в области биомеханики имеют столь же древнюю историю, как и исследования по биологии и механике, ибо, как видно из любого руководства по общей биологии (см., например [3]), механическое движение - неотъемлемая часть абсолютного большинства биологических процессов.- Но как самостоятельное научное направление на пересечении современной механики, биологии и других дисциплин биомеханика возникла в последние 20-30 лет [4-с. 233-245; 8-т.4, с. 646-671; 8а-с.39-59; 10; 17-с.5-16; 26-с.3-7].
Интерес к проблемам механики, связанным со строением и функционированием живых систем, с одной стороны, 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. С другой стороны, современный уровень развития основных естественных наук позволил начать систематические фундаментальные исследования, имеющие целью выявить и понять основные закономерности (физико-химические, механические, кибернетические в своей основе) устройства, функционирования и развития столь высокосовершенных и высоконадежных "машин", каковыми являются отдельные живые организмы, огромное многообразие которых составляет биосферу Земли.
О работе организмов человека, животных и растений, даже самых распространенных, известно не так много, как обычно думают, причем незнание охватывает даже самые простые, на первый взгляд, вопросы. Часто структура органа и его механическая функция известны досконально, но детальное понимание механизма работы отсутствует. Бывает и так, что известны структура органа и некоторые из происходящих в нем процессов, однако неясно его общее назначение. Наконец, нередко из-за экспериментальных трудностей плохо изучена структура органа и, вследствие этого, неизвестен даже принцип его работы. Примеры таких ситуаций будут упоминаться далее.
В то время как применение естественных наук к проблематике современной техники и технологии достигло высокого уровня эффективности, и по существу там дело сводится лишь к квалифицированному использованию хорошо понятых первичных закономерностей, в вопросах биомеханики предстоит сначала создать фундамент для выработки основополагающих знаний, методологии и теоретических концепций, что позволит довести до соответствующего высокого уровня и прикладные аспекты.
Теоретические методы биомеханики основаны на достижениях современной механики, изучающей собственно механическое движение во взаимосвязи с физико-химическими и электромагнитными явлениями и с использованием соответствующего математического аппарата и вычислительной техники. Экспериментальная биомеханика сочетанет методы механики с методами, развитыми в биологии и медицине. Одним из самых ответственных и трудоемких аспектов деятельности биомехаников является систематизация и анализ огромных массивов наблюдательных данных, накопленных в биологии, перевод нечетких словесных описаний в термины механики и, когда это возможно, в формальные математические построения. Последние нужны не столько для количественных расчетов, сколько для качественных суждений.
Биомеханика тесно соприкасается с другими областями науки о живом; например, с теоретической биологией, с бионикой и биоинженерией, с биокибернетикой, с биотехнологией, с эргономикой, с физиологией и т.д.
Исследования в области биомеханики ведутся во всех развитых странах. В США, ФРГ, Японии, Канаде, Италии и ряде других стран работают специализированные научно-исследовательские институты. Широкая сеть лабораторий биомеханики существует в большинстве ведущих университетов США и европейских стран, в крупных промышленных объединениях и клиниках. Особенно многочисленны исследовательские группы, обеспечивающие физиологические и медицинские приложения биомеханики. Значительное развитие такие исследования получили в Болгарии, Чехословакии и Польше, где также созданы специализированные научные учреждения. Активно функционируют Международное и Европейское общества биомехаников, ряд национальных обществ и обществ, объединя ющих биомехаников более узкого профиля. Развитию биомеханики способствуют многочисленные научные форумы, проходящие под эгидой названных обществ, университетов, других организаций и фирм; ежегодно проводится не менее трех-пяти таких мероприятий национального и международного масштаба (см., например, материалы крупных конференций, проведенных в СССР [5-8а]; далее в тексте указываются и некоторые другие).
Исследования по биомеханике входят в качестве неотъемлемой составной части в исследовательские программы по биофизике, бионике, биоинженерии и т.д. (см., например, [9]). Это отражается в структуре и содержании работ организаций, не являющихся чисто биомеханическими, в программах научных конференций и в систематической публикации статей по биомеханике в журналах и сборниках, относящихся к смежным областям.
Некоторые из направлений биомеханических исследований развиваются за рубежом особенно интенсивно (в частности, эргономическая и медицинская биомеханика). В большой мере это связано с быстрой окупаемостью результатов исследований вследствие увеличения производительности труда, снижения уровня производственных заболеваний и травм, повышения эффективности методов диагностики и лечения. Поэтому фирмы, заказывающие научные разработки биомеханическим лабораториям, хорошо их финансируют и быстро внедряют результаты. Сказанное относится как к решению узких задач, имеющих перспективу непосредственного применения, так и к предварительным фундаментальным разработкам.
В России современный этап исследований был начат в 20-х годах XX века одним из основателей отечественной биомеханики Н. А. Бернштейном. Они были направлены, главным образом, на рационализацию инструмента, рабочего места и решение других вопросов, сегодня объединенных термином "эргономика". В Москве был учрежден Центральный институт труда, в составе которого была создана первая лаборатория биомеханики. В дальнейшем основные исследования в области биомеханики были ограничены задачами оказания помощи людям, перенесшим ампутацию, и сводились преимущественно к изучению вопросов, связанных с протезированием. В настоящее время исследования по биомеханике значительно расширились, они ведутся в ряде институтов РАН и высших учебных заведений, почти во всех институтах травматологии и ортопедии, в институтах физкультуры и др. (более 50 организаций). Среди наиболее активно работающих научных коллективов следует выделить Институт машиноведения АН СССР, Институт физиологии им.Павлова РАН, Институт биологической физики РАН, Институт механики МГУ, МФТИ, МВТУ, МАИ, Рижский Технический Университет, Институт проблем механики РАН, Институт зоологии НАН Украины.
Подготовка специалистов по биомеханике во всех странах ведется, главным образом, в рамках других специальностей с соответствующими особенностями в системе преподавания. Наиболее распространено включение биомеханики как набора учебных дисциплин в программы подготовки специалистов по биофизике и биоинженерии. Курсы биомеханики (обычно факультативные) читаются, например, в МГУ, МФТИ, МАИ, МВТУ, Харьковском национальном университете, Рижском Техническом Университете и т.д. В нескольких учреждениях ведется подготовка специалистов через аспирантуру. ВАК СССР утвердил специальность "биомеханика" для специалистов различного профиля и в настоящее время несколько Советов, принимают к защите работы по этой специальности.
Известно несколько попыток написания руководств по биомеханике [10-16] для высших учебных заведений. Ни одно из них нельзя признать полностью удовлетворительным и ни одно из них
не перекрывает всю тематику биомеханики. Высказывалось даже крайнее мнение о невозможности создания такого пособия; едва ли с ним можно согласиться, хотя трудности действительно весьма велики. В учебные планы институтов физкультуры и других спортивных учебных заведений биомеханика входит как самостоятельная дисциплина, по которой написано немало учебных пособий (см. разд. 26), но круг охватываемых ими вопросов очень узок и специфичен.
Специализированные журналы по биомеханике издаются в США, Франции, Болгарии. В России выходит сборник обзоров "Современные проблемы биомеханики" [17]. Во всем мире информация по проблемам биомеханики рассеяна в большом количестве изданий самой разной тематики, и поэтому проблема информационного обеспечения исследований стоит очень остро. Существенную пользу приносит издание сборников статей и коллективных монографий, могущих играть роль справочника и путеводителя по литературе; в числе таких изданий, помимо упомянутого ежегодника [17], можно назвать и другие (см. например, [4,18-27]). Реферативные журналы, и советские, и зарубежные, не удовлетворяют потребностей специалистов, поэтому в ряде научных учреждений создаются банки данных по биомеханике (при составлении настоящего обзора использованы материалы базы данных BIOMECH, создаваемой в Институте механики МГУ [2]).
|
