01 / 導讀
導讀
引用
Ethier, C. R., & Simmons, C. A. (2007). Introductory Biomechanics: From Cells to Organisms. Cambridge University Press.
章節概要
全書共十章和一個附錄，約500頁。據前言介紹，每一章都先回顧相關的生物學知識，然後找出並描述該力學問題的本質方面。第2章篇幅遠超其他各章，約100頁。
第1章：導論
把生物工程定義為工程原理在生物系統中的應用，把生物力學定義為研究物理力如何與生命系統相互作用的學科。該章論證生物力學對生長、發育、組織重塑和某些疾病都很重要，並以骨細胞根據力學應力和應變增加或移除骨質為例。
第2章：細胞生物力學
篇幅最長的一章。它只討論真核細胞，先回顧細胞的結構，包括各種膜和細胞器，再進入細胞的力學。後面的章節會回頭引用其中關於細胞外基質的一節。
第3章：血流動力學
討論血液的流動及產生流動的力，主要把血液看作生理上重要物質的被動載體。它從血液流變學開始，即材料在受力時如何變形或流動，並引入應力的概念。
第4章：迴圈系統
從工程角度審視心臟和血管：由兩個串聯的搏動泵驅動、呈分支狀的管道網路。該章從血管系統的解剖和肺迴圈與體迴圈的劃分入手，強調各組成部分如何運作、如何協同輸送血液。
第5章：間質
這是一個短章（約十頁），講毛細血管周圍的空間，由嵌入細胞外基質的細胞構成。它考察間質液的流動，以及流動阻力為何取決於基質成分、細胞密度和堆積方式。
第6章：眼生物力學
把眼睛描述為一個帶有液體生成和引流的、加壓的厚壁殼體，並說明力學在調節以及青光眼、黃斑變性、近視和老視等疾病中的作用。該章從眼的解剖開始。
第7章：呼吸系統
從大體解剖、分支狀的傳導氣道和發生氣體交換的腺泡開始，然後轉入呼吸力學。
第8章：肌肉與運動
介紹三種肌肉型別，然後專注於骨骼肌，並按肌肉產生ATP的方式（有氧與無氧）分類。它提供了第10章運動分析所依賴的肌肉和骨骼力學。
第9章：骨骼生物力學
講骨骼系統的結締組織（骨、軟骨、韌帶和肌腱），先從骨的功能、結構和生物力學行為入手。
第10章：陸地運動
對行走和跑步作描述性和定量的分析，同時討論跳躍，其中把原地跳躍分為蹬地和騰空兩個階段，透過重心的運動來分析。
附錄：心電圖
一個簡短的附錄（約九頁），介紹心電圖，將其作為血管樹中搏動血流、壓力和動脈搏動的參考訊號，並說明心肌細胞的電活動。
核心概念
細胞與流體（第1–5章）
- 力學生物學：細胞和組織對力學應力和應變作出反應的觀點。
- 血液流變學：血液在應力作用下如何變形和流動。
- 作為網路與泵的迴圈：動脈、靜脈和搏動的心臟，被當作帶泵的分支管網。
- 間質流動阻力：組織結構如何決定間質中液體的移動。
器官系統（第6–7章）
- 眼壓與調節：眼睛的力學功能及其與疾病的關係。
- 呼吸力學：氣道分支與肺的力學。
運動（第8–10章）
- 骨骼肌能量學：有氧與無氧的ATP生成。
- 作為力學組織的骨：結構與承載行為。
- 運動分析：透過重心的運動來描述跳躍、行走和跑步。
評析
優點
- 從零開始講生物學。 前言說明不假定讀者具備生物學、解剖學或生理學知識，每章都以相關背景開篇。因此機械或化學工程及物理科學背景的讀者可以直接開始。
- 跨尺度的統一視角。 各章從單個細胞出發，經過血液、血管、組織和器官，直到全身運動，因此一套一致的力學處理把它們聯絡起來。作者把這種方法描述為：將生物系統簡化為本質要素，運用力學定律，再把結果與生物學功能聯絡起來。
- 有書評者稱讚其清晰。 出版社頁面引用了德州農工大學 James E. Moore Jr. 的評價：本書源自一門長期面向非生物工程專業學生的課程，敘述清晰直接，插圖品質極佳。
- 為課程而寫。 作者因找不到適合工程專業讀者的教材，根據在多倫多大學講授的生物力學入門課程寫成此書；出版社還提到有大量習題和數百篇參考文獻。
侷限
- 有意取捨。 前言說明本書不是對任何分支的詳盡專論，而是對眾多主題的入門介紹。有幾章各自圍繞一個器官系統，而關於間質的一章只有約十頁。
- 力學先修要求。 前言期望讀者學過動力學、靜力學、流體力學、熱力學和固體力學入門課程。缺少這些基礎的讀者需要另行補習。
- 各章內部的範圍選擇。 第2章只講真核細胞，第8章只專注於骨骼肌，因此平滑肌和心肌沒有展開。本書出版於2007年，此後的進展不在其內。
在課程中的定位
Ethier 和 Simmons 的這本書適合工程專業學生的第一門生物力學課。Özkaya 等人的 Fundamentals of Biomechanics 從基本原理出發，為沒有工程背景的讀者建立靜力學、動力學和變形體力學；Knudson 的 Fundamentals of Biomechanics 是以代數水平計算為主的人體運動入門；需要先打好力學基礎的學生可以先讀其中之一。Peterson 和 Bronzino 的編著則在各自獨立撰寫的章節中涵蓋更專門的主題，例如衝擊損傷和內耳力學，更適合在學完這樣一門課之後作為參考書使用。
希望學習嚴格的連續介質力學的讀者，可以讀 Humphrey 和 O'Rourke 的 An Introduction to Biomechanics，該書完整推導了固體和流體的控制方程；Fung 的 Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues 則是論述生物材料本構行為的經典專著。Ethier 和 Simmons 介於以人體運動為主的入門書與這些連續介質力學著作之間：這是一部從細胞到生物體的教科書，把力學應用於具體的生理問題。
如何使用本書
先讀前言瞭解所假定的背景，再讀導論（第1章）。一條合理的核心路線是：第3、4章（血液與迴圈）、第8、9章（肌肉與骨骼）和第10章（運動），它們相互銜接。第2章篇幅很大，可以選擇性地使用：先讀細胞結構的回顧，再讀與課程相關的力學部分。第5、6、7章可根據課程的側重點選讀，心電圖附錄則是第3、4章的簡短補充。
閱讀每一章時，先認真讀生理學介紹，再開始分析，因為作者希望用生物學來為力學搭建框架。請做章末習題（出版社稱習題數量很多），並利用參考文獻做延伸閱讀。如果力學基礎不牢，可在讀前幾章的同時複習靜力學、固體力學和流體力學。