Biomechanics (Biomekanika)

Dipublikasikan oleh Admin

02 Mei 2023, 07.40

Sumber: patcash.co.uk

Biomekanika adalah studi tentang struktur, fungsi, dan gerak aspek mekanis sistem biologis, pada tingkat mana pun dari seluruh organisme hingga organ, sel, dan organel sel,[1] dengan menggunakan metode mekanika.[2] Biomekanika adalah cabang dari biofisika.

Pada tahun 2022, mekanika komputasi jauh melampaui mekanika murni, dan melibatkan tindakan fisik lainnya: kimia, perpindahan panas dan massa, rangsangan listrik dan magnet, dan banyak lainnya.

Gambar: Halaman salah satu karya pertama Biomekanik (De Motu Animalium dari Giovanni Alfonso Borelli) pada abad ke-17

Etimologi

Kata "biomekanik" (1899) dan "biomekanikal" terkait (1856) berasal dari bahasa Yunani Kuno βίος bios "kehidupan" dan μηχανική, mēchanikē "mekanika", untuk merujuk pada studi tentang prinsip mekanik organisme hidup, khususnya mereka gerakan dan struktur.[3]

Subbidang

Mekanika biofluida

Gambar: sel darah merah

Mekanika fluida biologis, atau mekanika biofluida, adalah studi tentang aliran fluida gas dan cair di dalam atau di sekitar organisme biologis. Masalah biofluida cair yang sering dipelajari adalah aliran darah dalam sistem kardiovaskular manusia. Dalam keadaan matematis tertentu, aliran darah dapat dimodelkan dengan persamaan Navier–Stokes. Seluruh darah in vivo diasumsikan sebagai cairan Newtonian yang tidak dapat dimampatkan. Namun, asumsi ini gagal ketika mempertimbangkan aliran maju dalam arteriol. Pada skala mikroskopis, efek dari masing-masing sel darah merah menjadi signifikan, dan darah lengkap tidak lagi dapat dimodelkan sebagai sebuah kontinum. Ketika diameter pembuluh darah sedikit lebih besar dari diameter sel darah merah, efek Fahraeus-Lindquist terjadi dan terjadi penurunan tegangan geser dinding. Namun, karena diameter pembuluh darah semakin mengecil, sel darah merah harus masuk melalui pembuluh dan seringkali hanya bisa lewat dalam satu berkas. Dalam hal ini, efek kebalikan dari Fahraeus–Lindquist terjadi dan tegangan geser dinding meningkat.

Contoh masalah biofluida gas adalah pernapasan manusia. Baru-baru ini, sistem pernapasan pada serangga telah dipelajari untuk bioinspirasi untuk merancang perangkat mikofluida yang lebih baik.[4]

Biotribologi

Biotribologi adalah ilmu yang mempelajari gesekan, keausan, dan pelumasan sistem biologis, terutama persendian manusia seperti pinggul dan lutut.[5][6] Secara umum, proses ini dipelajari dalam konteks mekanika kontak dan tribologi.

Aspek tambahan dari biotribologi termasuk analisis kerusakan bawah permukaan yang dihasilkan dari dua permukaan yang bersentuhan selama gerakan, yaitu bergesekan satu sama lain, seperti dalam evaluasi kartilago yang direkayasa jaringan.[7]

Biomekanik komparatif

Gambar: Penguin chinstrap melompat di atas air

Biomekanik komparatif adalah penerapan biomekanik pada organisme non-manusia, baik digunakan untuk mendapatkan wawasan yang lebih luas tentang manusia (seperti dalam antropologi fisik) atau tentang fungsi, ekologi, dan adaptasi organisme itu sendiri. Bidang penyelidikan umum adalah gerak dan makan hewan, karena ini memiliki hubungan yang kuat dengan kebugaran organisme dan memaksakan tuntutan mekanis yang tinggi. Penggerak hewan, memiliki banyak manifestasi, termasuk berlari, melompat, dan terbang. Penggerak membutuhkan energi untuk mengatasi gesekan, tarikan, inersia, dan gravitasi, meskipun faktor yang mendominasi bervariasi dengan lingkungan. [rujukan?]

Biomekanika komparatif sangat tumpang tindih dengan banyak bidang lain, termasuk ekologi, neurobiologi, biologi perkembangan, etologi, dan paleontologi, sejauh makalah penerbitan umum di jurnal bidang lain ini. Biomekanika komparatif sering diterapkan dalam kedokteran (berkenaan dengan organisme model umum seperti tikus dan tikus) serta dalam biomimetika, yang mencari solusi untuk masalah teknik di alam. [rujukan?]

Biomekanik komputasi
Biomekanika komputasi adalah penerapan alat komputasi teknik, seperti metode elemen hingga untuk mempelajari mekanika sistem biologis. Model komputasi dan simulasi digunakan untuk memprediksi hubungan antara parameter yang menantang untuk diuji secara eksperimental, atau digunakan untuk merancang eksperimen yang lebih relevan untuk mengurangi waktu dan biaya eksperimen. Pemodelan mekanik menggunakan analisis elemen hingga telah digunakan untuk menafsirkan pengamatan eksperimental pertumbuhan sel tanaman untuk memahami bagaimana mereka berdiferensiasi, misalnya. [8] Dalam kedokteran, selama dekade terakhir, metode elemen Hingga telah menjadi alternatif yang mapan untuk penilaian bedah in vivo. Salah satu keuntungan utama dari biomekanik komputasi terletak pada kemampuannya untuk menentukan respon endo-anatomi anatomi, tanpa tunduk pada batasan etika. [9] Hal ini telah menyebabkan pemodelan FE (atau teknik diskritisasi lainnya) hingga menjadi umum di beberapa bidang Biomekanik sementara beberapa proyek bahkan telah mengadopsi filosofi open source (misalnya BioSpine)[10] dan SOniCS, serta kerangka kerja SOFA, FEniCS dan FEBio.

Biomekanika komputasi adalah bahan penting dalam simulasi bedah, yang digunakan untuk perencanaan, bantuan, dan pelatihan bedah. Dalam hal ini, metode numerik (diskritisasi) digunakan untuk menghitung, secepat mungkin, respons sistem terhadap kondisi batas seperti gaya, perpindahan panas dan massa, rangsangan listrik dan magnetik.

Biomekanik eksperimental

Biomekanika eksperimental adalah penerapan eksperimen dan pengukuran dalam biomekanik.

Biomekanik kontinum

Analisis mekanis biomaterial dan biofluida biasanya dilakukan dengan konsep mekanika kontinum. Asumsi ini rusak ketika skala panjang yang menarik mendekati urutan detail struktur mikro material. Salah satu karakteristik biomaterial yang paling luar biasa adalah struktur hierarkisnya. Dengan kata lain, karakteristik mekanis dari bahan-bahan ini bergantung pada fenomena fisik yang terjadi di berbagai tingkatan, dari molekul hingga ke tingkat jaringan dan organ. [rujukan?]

Biomaterial diklasifikasikan dalam dua kelompok, jaringan keras dan lunak. Deformasi mekanis jaringan keras (seperti kayu, cangkang dan tulang) dapat dianalisis dengan teori elastisitas linier. Di sisi lain, jaringan lunak (seperti kulit, tendon, otot, dan tulang rawan) biasanya mengalami deformasi besar sehingga analisisnya bergantung pada teori regangan terbatas dan simulasi komputer. Ketertarikan pada biomekanik kontinum didorong oleh kebutuhan akan realisme dalam pengembangan simulasi medis.[11]: 568

Biomekanik tanaman

Penerapan prinsip-prinsip biomekanik pada tumbuhan, organ tumbuhan dan sel telah berkembang menjadi subbidang biomekanik tumbuhan.[12] Penerapan biomekanik untuk tumbuhan berkisar dari mempelajari ketahanan tanaman hingga tekanan lingkungan[13] hingga perkembangan dan morfogenesis pada skala sel dan jaringan, tumpang tindih dengan mekanobiologi.[8]

Biomekanik olahraga

Dalam biomekanik olahraga, hukum mekanika diterapkan pada pergerakan manusia untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang performa atletik dan juga untuk mengurangi cedera olahraga. Ini berfokus pada penerapan prinsip-prinsip ilmiah fisika mekanik untuk memahami gerakan tindakan tubuh manusia dan peralatan olahraga seperti tongkat kriket, tongkat hoki dan lembing dll. Elemen teknik mesin (mis. Pengukur regangan), teknik listrik (mis., penyaringan digital), ilmu komputer (misalnya, metode numerik), analisis kiprah (misalnya, platform gaya), dan neurofisiologi klinis (misalnya, EMG permukaan) adalah metode umum yang digunakan dalam biomekanik olahraga.[14]

Biomekanika dalam olahraga dapat dinyatakan sebagai tindakan otot, sendi, dan kerangka tubuh selama pelaksanaan tugas, keterampilan, dan / atau teknik tertentu. Pemahaman yang tepat tentang biomekanika yang berkaitan dengan keterampilan olahraga memiliki implikasi terbesar pada: performa olahraga, rehabilitasi dan pencegahan cedera, serta penguasaan olahraga. Seperti yang dicatat oleh Doctor Michael Yessis, bisa dikatakan bahwa atlet terbaik adalah yang mengeksekusi keahliannya dengan sebaik-baiknya.[15]

Biomekanik vaskular
Topik utama biomekanik vaskular adalah deskripsi perilaku mekanik jaringan vaskular.

Diketahui bahwa penyakit kardiovaskular adalah penyebab utama kematian di seluruh dunia.[16] Sistem pembuluh darah dalam tubuh manusia adalah komponen utama yang seharusnya menjaga tekanan dan memungkinkan aliran darah dan pertukaran kimia. Mempelajari sifat mekanik jaringan kompleks ini meningkatkan kemungkinan untuk lebih memahami penyakit kardiovaskular dan secara drastis meningkatkan pengobatan yang dipersonalisasi.

Jaringan pembuluh darah tidak homogen dengan perilaku yang sangat tidak linier. Umumnya penelitian ini melibatkan geometri yang kompleks dengan kondisi beban yang rumit dan sifat material. Deskripsi yang benar dari mekanisme ini didasarkan pada studi fisiologi dan interaksi biologis. Oleh karena itu perlu dipelajari mekanika dinding dan hemodinamik dengan interaksinya.

Penting juga untuk menyatakan bahwa dinding pembuluh darah adalah struktur dinamis dalam evolusi yang berkelanjutan. Evolusi ini secara langsung mengikuti lingkungan kimia dan mekanik di mana jaringan terbenam seperti Wall Shear Stress atau pensinyalan biokimia.

Sumber: wikipedia