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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 , [1] utilizando los métodos de la mecánica . [2] 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.
La palabra "biomecánica" (1899) y la relacionada "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 sus movimiento y estructura. [3]
La mecánica de fluidos biológicos, o mecánica de biofluidos, es el estudio de los flujos de fluidos tanto gaseosos como líquidos dentro o alrededor de organismos biológicos. Un problema de biofluidos líquidos que se estudia a menudo es el del flujo sanguíneo en el sistema cardiovascular humano. En determinadas 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 hacia adelante 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 del glóbulo rojo, se produce el efecto Fahraeus-Lindquist y hay una disminución del esfuerzo cortante 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, sólo pueden pasar en una sola fila. En este caso, se produce el efecto inverso de Fahraeus-Lindquist y aumenta el esfuerzo cortante de la pared.
Un ejemplo de problema de biofluidos gaseosos es el de la respiración humana. Recientemente, se han estudiado los sistemas respiratorios de los insectos con fines de bioinspiración para diseñar dispositivos de microfluidos mejorados. [4]
La biotribología 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. [5] [6] 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 diseñado mediante ingeniería tisular. [7]
La biomecánica comparada es la aplicación de la biomecánica a organismos no humanos, ya sea que se utilice para obtener mayores conocimientos sobre los humanos (como en la antropología física ) o sobre las funciones, ecología y 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 exigencias 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 que predomina varía según el entorno. [ cita necesaria ]
La biomecánica comparada se superpone fuertemente con muchos otros campos, incluida la ecología , la neurobiología , la biología del desarrollo , la etología y la paleontología , hasta el punto de publicar comúnmente artículos en revistas de estos otros campos. La biomecánica comparada se aplica a menudo 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. [ cita necesaria ]
La biomecánica computacional es la aplicación de herramientas computacionales de ingeniería, como el método de elementos finitos, para estudiar la mecánica de 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, lo que reduce el tiempo y los costos de los experimentos. Se ha utilizado modelado mecánico mediante análisis de elementos finitos para interpretar la observación experimental del crecimiento de las células vegetales y comprender cómo se diferencian, por ejemplo. [8] En medicina, durante la última década, el método de elementos finitos se ha convertido en una alternativa establecida a 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. [9] 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) [10] y SOniCS, así como SOFA. , marcos 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, se utilizan métodos numéricos (discretización) 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.
El análisis mecánico de biomateriales y biofluidos suele realizarse junto 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 dependen de fenómenos físicos que ocurren en múltiples niveles, desde el molecular hasta el tejido y el órgano . [ cita necesaria ]
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 tanto, su análisis se basa en la teoría de las deformaciones finitas y en simulaciones por ordenador . El interés en la biomecánica continua está estimulado por la necesidad de realismo en el desarrollo de la simulación médica. [11] : 568
La neuromecánica utiliza un enfoque biomecánico para comprender mejor cómo interactúan el cerebro y el sistema nervioso para controlar el cuerpo. Durante una tarea motora, las unidades motoras activarán un conjunto de músculos para realizar un movimiento específico, que puede modificarse mediante la adaptación y el aprendizaje motor. En los últimos años, se han permitido experimentos neuromecánicos combinando herramientas de captura de movimiento con grabaciones neuronales.
La aplicación de principios biomecánicos a plantas, órganos y células vegetales se ha convertido en el subcampo de la biomecánica vegetal. [12] La aplicación de la biomecánica para plantas abarca desde el estudio de la resiliencia de los cultivos al estrés ambiental [13] hasta el desarrollo y la morfogénesis a escala de células y tejidos, superponiéndose con la mecanobiología . [8]
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 instrumentos deportivos como el bate de críquet, el palo de hockey y la jabalina, etc. Elementos de ingeniería mecánica (p. ej., galgas extensométricas ), 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. [14]
La biomecánica en el deporte puede enunciarse como las acciones musculares, articulares y esqueléticas del cuerpo durante la ejecución de una determinada tarea, habilidad y/o técnica. Una 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 señala el doctor Michael Yessis, se podría decir que el mejor atleta es el que mejor ejecuta su habilidad. [15]
El principal tema de la biomecánica vascular es la descripción del comportamiento mecánico de los tejidos vasculares.
Es bien sabido que las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de muerte en todo el mundo. [16] El sistema vascular en el cuerpo humano es el componente principal que se supone mantiene la presión y permite el flujo sanguíneo y los intercambios químicos. El estudio de 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 son heterogéneos y tienen un comportamiento fuertemente no lineal. Generalmente, este estudio involucra geometría compleja con condiciones de carga y propiedades de materiales intrincadas. La descripción correcta de estos mecanismos se basa en el estudio de la fisiología y la interacción biológica. Por tanto es necesario estudiar la mecánica de las paredes y la hemodinámica con su interacción.
También es necesario partir de la premisa de que la pared vascular es una estructura dinámica en continua evolución. Esta evolución sigue directamente el entorno químico y mecánico en el que se encuentran inmersos los tejidos, como el estrés de cizallamiento de la pared o la señalización bioquímica.
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 . [17] Vio los cuerpos de los animales como sistemas mecánicos y se centró en cuestiones como la diferencia fisiológica entre imaginar realizar una acción y realizar una acción real. [18] 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 . [11] : 2
Con el surgimiento del Imperio Romano , la tecnología se hizo más popular que la filosofía y surgió la siguiente 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. [19]
La siguiente gran biomecánica no llegaría hasta la década de 1490, con los estudios de anatomía humana y biomecánica de Leonardo da Vinci . Tenía un gran conocimiento de la ciencia y la mecánica y estudió anatomía en un contexto de mecánica. Analizó las fuerzas y movimientos musculares y estudió las funciones articulares. 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 líneas que conectan orígenes e inserciones, y estudió la función articular. Da Vinci también es conocido por imitar algunas características animales en sus máquinas. Por ejemplo, estudió el vuelo de las aves para encontrar medios mediante los cuales los humanos pudieran volar; y como los caballos eran la principal fuente de potencia mecánica en aquella época, estudió sus sistemas musculares para diseñar máquinas que aprovecharan mejor las fuerzas aplicadas por este animal. [20]
En 1543, la obra de Galeno, Sobre la función de las partes, fue cuestionada por Andreas Vesalio a la edad de 29 años. Vesalio publicó su propio trabajo llamado Sobre la estructura del cuerpo humano. En esta obra, 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 celestes. Este trabajo no sólo revolucionó la ciencia y la física, sino también el desarrollo de la mecánica y, posteriormente, de la biomecánica. [19]
Galileo Galilei , el padre de la mecánica y biomecánica a tiempo parcial, nació 21 años después de la muerte de Copérnico . A lo largo de sus años de ciencia, Galileo dio a conocer muchos aspectos biomecánicos. Por ejemplo, descubrió que "las masas de los animales aumentan desproporcionadamente con su tamaño y, en consecuencia, sus huesos también deben aumentar desproporcionadamente en circunferencia, adaptándose a la carga en lugar de al mero tamaño. La resistencia a la flexión de una estructura tubular como un hueso aumenta en relación con su peso haciéndolo hueco 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". [19]
Galileo Galilei estaba interesado en la resistencia de los huesos y sugirió que los huesos son huecos porque esto proporciona la máxima resistencia con el mínimo peso. Observó que la masa ósea de los animales aumentaba desproporcionadamente con su tamaño. En consecuencia, los huesos también deben aumentar desproporcionadamente en circunferencia y no simplemente en 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 comprensiones de los principios de la optimización biológica . [20]
En el siglo XVII, Descartes sugirió un sistema filosófico según el cual todos los sistemas vivos, incluido el cuerpo humano (pero no el alma), son simplemente máquinas regidas por las mismas leyes mecánicas, una idea que contribuyó mucho a promover y sostener el estudio biomecánico.
El siguiente gran biomecánico, Giovanni Alfonso Borelli , abrazó la filosofía mecánica de Descartes y estudió caminar, correr, saltar, el vuelo de los pájaros, la natación 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 del tejido.
Borelli fue el primero en comprender que "las palancas del sistema muscular magnifican el movimiento en lugar de la fuerza, de modo que los músculos deben producir fuerzas mucho mayores que las que resisten el movimiento". [19] Influenciado por el trabajo de Galileo, a quien conocía personalmente, tenía una comprensión intuitiva del equilibrio estático en varias articulaciones del cuerpo humano mucho antes de que Newton publicara las leyes del movimiento. [21] Su trabajo es a menudo considerado el más importante en la historia de la biomecánica porque hizo muchos descubrimientos nuevos que abrieron el camino para que las generaciones futuras continuaran su trabajo y estudios.
Pasaron muchos años después de Borelli antes de que el campo de la biomecánica diera grandes pasos. Después de ese tiempo, cada vez 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 ahora demasiado vasto para atribuir una cosa a una sola persona. Sin embargo, el campo sigue creciendo cada año y sigue avanzando en el descubrimiento de más sobre el cuerpo humano. Debido a que el campo se volvió tan popular, se abrieron muchas instituciones y laboratorios 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. [19]
En el siglo XIX Étienne-Jules Marey utilizó la cinematografía para investigar científicamente la locomoción . Abrió el campo del "análisis del movimiento" moderno al ser el primero en correlacionar las fuerzas de reacción del suelo con el movimiento. En Alemania, los hermanos Ernst Heinrich Weber y Wilhelm Eduard Weber plantearon muchas hipótesis sobre la marcha humana, pero fue Christian Wilhelm Braune quien hizo avanzar significativamente la ciencia utilizando los recientes avances 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 llevó 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 . [22]
El estudio de la biomecánica abarca desde el funcionamiento interno de una célula hasta el movimiento y desarrollo de las extremidades , pasando por las propiedades mecánicas de los tejidos blandos , [7] 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 aves e insectos , la hidrodinámica de la natación de los 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. [23] [ cita necesaria ]
La biomecánica también se aplica al estudio de los sistemas musculoesqueléticos humanos. Dicha investigación utiliza plataformas de fuerza para estudiar las fuerzas de reacción humanas del suelo y videografía infrarroja para capturar las trayectorias de marcadores adheridos al cuerpo humano para estudiar el movimiento humano en 3D. La investigación también aplica la electromiografía para estudiar la activación muscular, investigando las respuestas de los músculos a fuerzas y perturbaciones externas. [24]
La biomecánica se utiliza 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 del mismo. Es un estudio del rendimiento 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 diseñado con tejido. [7] Emanuel Willert analiza en detalle la carga dinámica de las juntas consideradas como impacto. [25]
También está ligado al campo de la ingeniería , porque a menudo utiliza ciencias de la ingeniería tradicionales para analizar sistemas biológicos . Algunas aplicaciones simples de la mecánica newtoniana y/o de las ciencias de los materiales pueden proporcionar aproximaciones correctas a la mecánica de muchos sistemas biológicos . La mecánica aplicada, en particular las disciplinas de la 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. [26]
Generalmente los sistemas biológicos son mucho más complejos que los sistemas construidos por el hombre. Por 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 .
Medios relacionados con la biomecánica en Wikimedia Commons