胡直
60年代初,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。其中有些课题的研究逐渐发展成为生物力学的分支学科,如以研究生物材料的力学性能为主要内容的生物流变学。它一般将生物材料分为体液、硬组织和软组织,肌肉则属较为特殊的一类。体液中以血液为研究的重点,主要研究血液的粘性和影响粘性的因素(如管径、有形成分和红细胞)以及流动中红细胞在管系支管中的比积分配问题,红细胞本身的力学性质,红细胞之间的相互作用,红细胞与管壁的作用等。对于软组织,则以研究它的流变性质,建立本构关系为主,因为本构关系不单是进一步分析它的力学问题的基础,而且具有临床意义。对于硬组织,除了研究它的流变性质外,对骨骼的消长与应力的关系也进行了大量研究。各个系统,特别是循环系统和呼吸系统的动力学问题,是人们长期研究的对象。循环幕统动力学主要研究血液在心脏、动脉、微血管床、静脉中流动以及心脏、心瓣的力学问题。一方面研究其管系中的流动,另一方面则着重分析局部的流态,如在管弯、管叉、驻点处的流态,这是因为动脉粥样化的形成和恶化被认为与局部流态有关。呼吸系统动力学主要研究在呼吸过程中气道内气体的流动和肺循环中血液的流动,以及气血间气体的交换。所有这些工作,包括生物材料的流变性质和动力学的研究,不仅有助于对人体生理滴理过程的了解,而且还能为人工脏器的设计和制造提供科学依据。生物力学还研究植物体液的输运(见植物体内的流动)。环境对生理的影响也是生物力学的一个研究内容。众所周知,氧对生物体的发育有很大影响,在缺氧环境下生物体发育较慢,在富氧环境下发育较快。即使在短期内,环境的影响也是明显的。实验表明:在含10%的氧气、压力为一个大气压(1大气压=101 325帕)的环境中的幼鼠,即使只生活24小时,在直径为15~30微米的肺小动脉壁下,也会出现大量的纤维细胞。若延续4~7天,纤维细胞则会过渡为典型的平滑肌细胞,这无疑会影响肺循环中血液的流动。又如处于高加速度状态中的人,其血液的惯性会有明显的改变,悬垂器官会偏离原位,从而改变体内血液的流动状态。在设计水中航行的工具时,经常需要考虑最佳外形。最佳推进方式和最佳操纵方式。由于自然选择,具有这些优点的永生物较易生存下来洇此,研究某些水生物的运动可以得到一些值得借鉴的知识。例如,海豚是一种较高级的动物,它具有高效率的推进机制和很好的外形,特别是它的皮肤,分为两层,其间充满了弹性纤维和脂肪组织,具有特殊的减阻特性,在高速游动时能够保持层流边界层状态,这是因为它的皮肤对边界层中压力梯度变化十分敏感,能作适当的弹性变形以降低逆压梯度,因而在高速游动时,表皮能产生波状运动以抑制湍流的出现。又如纤毛虫的运动是通过纤毛的特殊运动实现的,在人的呼吸道内也保持有这种低级生物的运动方式,即利用纤毛排除呼吸道内的某些异物。总之,研究大自然中生物运动的意义是很明显的。