NAUKA I TECHNIKA W PK

Stanisław Mazurkiewicz

Biomechanika – wczoraj, dziś i jutro (cz. I) (cz. II)

    Człowiek od zarania dziejów starał się poznać i zrozumieć funkcjonowanie swojego organizmu, pojąć mechanizm ruchu, skutki sił działających na ciało ludzkie oraz wykorzystywać tę wiedzę w przypadku dysfunkcji. Od początku czerpał również wiedzę z wielkiej księgi Natury – uczył się, by przetrwać, podglądał, naśladował. Wszystkie techniczne konstrukcje, z wyjątkiem chyba koła, były w pewnym stopniu inspirowane przez otaczającą go przyrodę.
   Jeśli do instynktu przetrwania dodamy wyższe racje – piękno, humanistyczną motywację – niesienie pomocy słabszym i potrzebującym, chęć ulżenia w cierpieniu, radzenie sobie z ułomnościami, leczenie uszkodzeń – znajdziemy praźródła biomechaniki.
   Najstarszą (chyba) informacją o wydłużaniu kończyn jest podany przez Herodota z Hellady opis okrutnych praktyk stosowanych przez rozbójnika Prokrustesa. Otóż dopasowywał on kształty ofiar do wymiarów żelaznego łoża. Jeżeli stwierdził, że kończyny były za długie – ucinał je, a jeżeli za krótkie – rozciągał. Mit o Prokrutesie, oczywiście w aspekcie humanitarnym, urzeczywistnił się dopiero w XX wieku – chodzi o metody egalizacji kończyn za pomocą zabiegów operacyjnych.

Rys. 1. Sposób, w jaki drzewo rozbudowuje system korzeni, posłużył jako wzór umocowania w gruncie wysokich masztów [2]

    Tęsknota człowieka do zdobywania przestworzy została przedstawiona w legendzie o Dedalu i Ikarze. Uwięzieni przez króla Minosa zapragnęli odzyskać wolność, zbudowali skrzydła z piór i wosku. Ikar, który nie słuchał przestróg ojca, wzbił się zbyt wysoko w przestworza, wosk roztopił się od promieni słonecznych i Ikar runął do morza.
   „Omnia, possideas non possidet aera Minos” – słowa Owidiusza mówią o potędze ludzkiej woli w dążeniu do wolności i opanowania żywiołów przyrody. Czy smutny finał tego lotu jest przestrogą przed sięganiem po rzeczy nieosiągalne, czy może – ze współczesnego punktu widzenia – niedoskonałą wersją nauki o materiałach, aerodynamiki itp.?
   Marzenia człowieka o pokonywaniu praw ciążenia wyrył dłutem artysta w przepięknej rzeźbie Nike z Samotraki, a marzenie o możliwości metamorfozy – w rzeźbie Apollo i Dafne. Dafne zmienia się w drzewo laurowe, a rozczarowany Apollo stwierdza, że zerwany liść ma gorzki smak – czy to memento?

Rys. 2. Dedal z synem budują skrzydła

    W filmie „Park Jurajski” reżyser ukazuje ludzką tęsknotę, marzenie o animacji martwej natury i naśladowaniu niedoścignionych wzorów materii ożywionej.
   Wielu sławnych ludzi – znanych uczonych zajmowało się badaniem organizmu ludzkiego. I tak: Galileusz zajmował się pomiarami szybkości bicia serca, R. Descartes – badaniem oka, G. Borelli – mechanizmem oddychania, R. Hooke opisał komórki, L. Euler analizował pulsację krwi w tętnicach, T. Young stworzył teorie głosu i wzroku, H. Helmoholtz – teorię słuchu i widzenia barw, D. Frank opisał mechanizm serca. Znane są również prace Leonardo da Vinci z zakresu konstrukcji sztucznych obiektów latających, budowanych na podobieństwo organizmów żywych.

Rys. 3. Projekt helikoptera autorstwa Leonardo da Vinci

    Wymienione przykłady mają wspólną cechę – łączą technikę i nauki ścisłe z biologią i naukami medycznymi. Pomimo tradycji sięgającej zamierzchłych czasów termin „biomechanika” jako nazwa dyscypliny naukowej pojawił się zaledwie kilkadziesiąt lat temu.

    Źródłosłów terminu „biomechanika” wywodzi się od greckiego mechane – «narzędzie», a szerzej «nauka o stanach równowagi i ruchu systemu autonomicznego człowieka», zaś przedrostek bio wskazuje, iż jest to dyscyplina naukowa zajmująca się organizmami żywymi, traktowanymi jako narzędzia o określonych funkcjach mechanicznych [1]. Biomechanika została zaklasyfikowana do nauk eksperymentalnych.

    Biomechanika jest nauką o wewnętrznych i zewnętrznych siłach działających na ciało ludzkie i ich skutkach. Biomechanika ułatwia zrozumienie normalnego funkcjonowania organizmu oraz pozwala przewidzieć zmiany w przypadku sztucznej interwencji.

Rys. 4. Struktura łodygi skrzypu polnego [2]

   Arystoteles powiedział, że mechanika jest rajem dla matematyków, którzy tam spożywają owoce swej wiedzy. Czy można powiedzieć, że biomechanika jest rajem dla tych mechaników, którzy pragną wykorzystywać swą wiedzę w zastosowaniu do opisu funkcjonowania organizmu żywego?
   Biomechanika jest nauką interdyscyplinarną. Łączy nauki medyczne i przyrodnicze, wykorzystuje wiedzę techniczną i różne rozwiązania techniczne. Z drugiej strony poznaje, fenomenalne niekiedy, rozwiązania stworzone przez naturę i umożliwia ich wykorzystanie w naukach technicznych.
   Metodyka badań jest taka sama jak w naukach ścisłych. Polega to na obserwacji obiektu badań oraz jego reakcji na różne bodźce. Na tej podstawie budowane są modele fizyczne oraz modele matematyczne. Tak szeroka definicja biomechaniki wskazuje na jej związki z inżynierią medyczną, która zajmuje się „realizacją techniczną” zagadnień biomechaniki.

    Jednym z intensywnie rozwijanych kierunków badawczych w biomechanice inżynierskiej jest mechanika kości. Pierwsze prace dotyczące analizy naprężeń w kościach znajdujemy już u Galileusza (1638 r.). W wieku XIX G. H. Meyer (1867 r.), zajmując się architekturą spongiozy (złamania) kości, dostrzegł jej związek ze statyką i mechaniką kości. W 1866 r. Culmann wykazał korelację pomiędzy strukturą kości gąbczastej a trajektoriami naprężeń głównych w tzw. pręcie Culmanna. Zrodziło to pytania – czy taka struktura jest formowana przez warunki statyki, czy istnieje wewnętrzna metamorfoza, która tworzy strukturę „fit for service” – dostosowaną do zadań, i po trzecie – jaka jest rola mięśni w stymulowaniu tego procesu.
   W roku 1869 J. Wolff ogłosił tezę, że przeformowanie i resorpcja kości jest biologicznym, kontrolowanym procesem i wiąże się z wartością lokalnych naprężeń. Tę tezę rozwinął w 1881 r. W. Roux w tzw. teorii „funkcjonalnej adaptacji kości” – wiodącego prawa w biologii, które – nawiązując do filozofii Empedoklesa – mówi o adaptacji do zadań, do których kość ma być użyta. Stwierdzono, że istnieje najwyższej jakości mechanizm kierujący funkcjonalną adaptacją w każdej części organizmu, który prowadzi do ich modyfikacji. W odniesieniu do hipotezy trajektorii naprężeń głównych w kościach – struktura kości odpowiada liniom obciążeń statycznych, co pozwala kości przenosić zewnętrzne siły przy minimalnym zużyciu materiału.
   Współczesne prace rozwinęły tę tezę, wprowadzając poszerzone kryterium optymalizacji i funkcji celu, roli mięśni i stanów patologicznych, jednak główna myśl pozostała ta sama. Hipoteza J. Wolffa o funkcjonalnej adaptacji wyjaśnia szereg innych zjawisk biologicznych – jak na przykład optymalizację kształtu pnia czy korony drzewa, zwłaszcza jeśli chodzi o istniejące warunki obciążeń zewnętrznych.
   Skrzywienie kręgosłupa u dzieci staje się obecnie schorzeniem o charakterze epidemiologicznym. Niektórych przypadków, niestety, nie można leczyć zachowawczo i wymagają interwencji chirurgicznej. Wówczas na pomoc przywołuje się technikę. Wprowadza się do organizmu tzw. wszczepy, czyli implanty, które wspomagają niesprawny układ mięśniowy w utrzymywaniu kręgosłupa w pozycji zbliżonej do pozycji anatomicznej. Wspomnieć należy o pracach polskiego wybitnego ortopedy prof. Grucy i jego sprężynach stosowanych w latach 50. Niestety, upowszechnieniu tej metody przeszkodziły ówczesne technologie i materiały.

    Zespół pracowników Zakładu Mechaniki Doświadczalnej Instytutu M-1 Politechniki Krakowskiej opracował przed kilkoma laty oryginalny, objęty patentem wszczep pod nazwą „korektor uniwersalny”. Może on być zastosowany jako urządzenie kompresyjne – przy leczeniu skoliozy lub jako dystraktor w przypadkach zmiażdżenia trzonu kręgowego.
   Wrodzona nierówność kończyn i niski wzrost, to wady szczególnie uciążliwe dla dzieci, wpływają negatywnie nie tylko na kondycję fizyczną dziecka, ale i psychikę. Kalectwo to do niedawna było w zasadzie nieuleczalne. W latach 50. dokonano przełomu w leczeniu dzięki aparatowi prof. Ilizarowa. W Polsce pierwsze próby jego stosowania podjęto kilkanaście lat temu. Niestety, aparat nie był stosowany w leczeniu, gdyż nie produkowano go w kraju, a cena aparatów importowanych była za wysoka.
   Zespół pracowników Politechniki Krakowskiej jako pierwszy w Polsce opracował konstrukcję i technologię wykonywania tego aparatu. Jego produkcję rozpoczęto przed 10 laty w ZPTiW CERMET i obecnie poziom produkcji w pełni odpowiada krajowemu zapotrzebowaniu.
   Bardzo poważnym schorzeniem jest niewydolność nerek. Jeśli nie funkcjonują, jedynym ratunkiem jest dializa i zastosowanie sztucznej nerki. Technika wykorzystuje znane zjawisko dyfuzji; stosowanie specjalnych błon z tworzyw sztucznych (np. regenerowanej celulozy) pozwala na realizację funkcji, jaką spełnia nerka.
   Od kilkudziesięciu lat, dzięki technice, pełna niewydolność nerek przestała być wyrokiem śmierci dla pacjenta. Warto zauważyć, iż pierwsza prototypowa sztuczna nerka w Krakowie powstała w latach 60. dzięki współpracy Kliniki Nefrologii Akademii Medycznej z pracownikami Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej.
   Innym przykładem służebnej roli techniki wobec medycyny są jakże spektakularne operacje z zakresu kardiochirurgii. Bez sztucznego płuco-serca niektóre operacje byłyby niemożliwe. Wiąże się to z dziesiątkami problemów technicznych, z pogranicza hydromechaniki i bioreologii, automatyki i kontroli procesów, specjalnych gatunków materiałów, itp.

Rys. 7. Aparat Ilizarowa pozwala na wydłużanie krótszej kończyny dolnej u dzieci [3]

    Medycyna stawia przed biomechaniką zadanie skonstruowania aparatów wspomagających dla ludzi kalekich, z niedowładem kończyn, o ograniczonej zdolności ruchu i lokomocji. Mechanikom, konstruktorom otwiera ogromne możliwości projektowania tzw. pionizatorów, aparatów do poruszania się, itp. Nowe materiały, kompozyty z tworzyw, elektronika stosowana do napędu – wszystko to może w istotny sposób zmniejszyć uciążliwość życia osobom niepełnosprawnym.
   W Katedrze Mechaniki Doświadczalnej i Biomechaniki powstaje prototyp urządzenia wspomagającego lokomocję dzieci z paraplegią, wykorzystujący do tego wspomaganie obciążeniem grawitacyjnym pacjenta.

[1] A. Kabsch, „W sprawie nauczania biomechaniki na studiach inżynierii medycznej” [w:] Materiały I Krakowskich Warsztatów Inżynierii Medycznej, Kraków 18-19 V 2000 r.
[2] W. Szołygin, „Przyroda uczy budować”, Instytut Wydawniczy „Nasza Księgarnia”, Warszawa 1977.
[3] M. Tęsiorowski, M. Zarzycka, „Podstawowe zasady wydłużania kończyn”, THU „Kasperek”, Kraków 1998.