O embate da Biologia e Matemática/Física visto pela história da Biomecânica

Bem-vindos ao D-Debate. Gostaríamos de informar que este material pertence ao podcast Aulas do Mochi, do professor Luiz Mochizuki, da IETE-USP. O professor Mochizuki é responsável pela curadoria do material apresentado, que serve de apoio didático às disciplinas de biomecânica ministradas pelos professores Luiz Mochizuki e Ulisses Ervilha. Bom, hoje nós vamos mergulhar em uma área fascinante. Costumam nos ensinar que a biomecânica é, na sua essência, o foi absoluto da matemática sobre o corpo humano, né?

A visão clássica.

Exato. Mas hoje vamos debater se essa visão rigidamente matemática e, tipo, mecanicista foi o que realmente impulsionou a ciência ou se, na verdade, ela nos cegou para a verdadeira natureza do movimento. Pensa na engenharia clássica. É um mundo super reconfortante. Você projeta uma ponte de aço, calcula as tensões exatas, aplica as leis de Newton. Sim, e você sabe com precisão decimal quanto peso ela suporta antes de desabar, sabe? O momento de inércia constante, a estrutura é passiva.

É, olha, é um modelo brilhante, mas para coisas mortas. Funciona perfeitamente bem quando o objeto de estudo não reage ao ambiente.

É, mas aí que tá. O ponto central do meu argumento hoje, e eu estou bem convencida disso, é que a biomecânica só se tornou uma ciência real só abandonou aquele empirismo de tentativa e erro quando a gente decidiu tratar o corpo biológico exatamente como essa ponte de aço.

Você diz ignorar a biologia?

Não ignorar, mas quantificar. A história da biomecânica, tanto no mundo quanto no Brasil, é a história da aplicação bem-sucedida de leis mecânicas deterministas. Se você pegar desde o chamado século insurgente, ali entre 1500 e 1700, Cummorelli e Hulk, certo? Exato. E fundamentalmente o Descartes, com aquela visão do corpo como um autômato. O progresso só existiu porque a gente forçou a biologia a se submeter ao conceito de corpo rígido.

E isso meio que culminou no século 20, sabe? Com os computadores nos dando o poder absurdo de processar a cinemática e a cinética do movimento. Pra mim, a precisão matemática é o único pilar que sustenta essa área.

Olha, eu respeito essa visão, mas eu rejeito completamente a premissa de que a submissão da biologia à física clássica foi o motor do nosso progresso. Ah, é? Com certeza! A verdadeira evolução da biomecânica ocorreu precisamente quando a matemática falhou, quando fomos obrigados a abraçar a complexidade orgânica. O seu modelo de ponte de aço ignora um fato básico: no corpo humano, se a ponte percebe um excesso de tráfego, ela começa a adicionar minerais às suas próprias vigas.

Ah, sim, adaptação dinâmica e autônoma.

O corpo não é um conjunto de polias e alavancas estática, sabe? A inércia muda durante o movimento. A minha posição é que o foco puramente mecanicista, institucional também, Não apenas simplificou demais o ser humano, como historicamente silenciou investigações cruciais.

Silenciou? Como assim?

Excluindo abordagens femininas essenciais sob o pretexto de não se encaixarem nessa matemática inflexível de engenheiros, por exemplo. A biologia sempre teve que domar a mecânica.

Tá, então vamos testar essa sua ideia da biologia domando a mecânica. Vamos olhar para o final do século 19, que é o período em que a análise do movimento humano realmente tomou forma. Se a gente olhar para o Wilhelm Braun e o Walter Fischer, em 1889, eles publicaram o Der Gang des Menschen.

O primeiro estudo tridimensional da marcha.

Exatamente. E como eles fizeram isso? Eles não ficaram filosofando sobre adaptação orgânica, sabe? Eles congelaram cadáveres. Eles pregaram os membros nas paredes.

O que é, convenhamos, bem macabro.

É macabro, mas foi eficaz. Eles localizaram o centro de gravidade de cada segmento corporal com uma exatidão cirúrgica e aplicaram as equações de Newton para descrever a locomoção. O trabalho deles, junto com aquelas capturas fotográficas famosas do Muybridge e do Marey, transformou o corpo em coordenadas numéricas. Reduzir a complexidade biológica a um sistema de forças e alavancas foi o que permitiu o nascimento de áreas práticas inteira, sabe?

A ortopedia moderna não existiria se o Brown e o Fisher não tivessem tratado o corpo como uma máquina quantificável.

Olha, tratar cadáveres congelados e pregados na parede como representações fiéis da marcha humana é tipo exatamente a armadilha do determinismo mecanicista.

Corpos mortos não andam, mas eles fornecem a massa e o centro de gravidade reais.

Sim, mas eles não armazenam energia elástica nos tendões. Eles não antecipam a queda e, o mais importante, não ajustam a passada com base na textura do solo. A física newtoniana que eles aplicaram é impecável, concordo, mas ela falha bizarramente em descrever as duas propriedades mais fundamentais de qualquer sistema biológico.

Que seriam?

A autorreparação e a autoorganização. É por isso que eu olho para o outro lado do espectro filosófico daquela mesma época, tipo a filosofia teleológica de Leibniz.

Ah, Leibniz.

Sim, ele argumenta que as estruturas biológicas existem com um propósito final de adaptação funcional. A forma segue a função.

Tá, mas filosofia não repara um fêmur fraturado. A gente precisa de equações de tensão para isso.

Com certeza. E é exatamente aí que entra o F. Gaynor Evans, muito tempo depois, com aqueles estudos seminais dele sobre stress and strain in bones. O Evans provou mecanicamente o que a biologia já sabia: a organização trabecular interna do osso não é um material de construção estático.

Você tá falando da Lei de Wolff.

Exato, fenômenos como a Lei de Wolff. Hoje sabemos que os osteoblastos, aquelas células construtoras de osso, eles sentem as microfissuras causadas pelo impacto mecânico e depositam novo tecido ósseo nas linhas exatas de maior estresse.

Certo, o osso remodela a própria arquitetura.

Isso, com base na carga que recebe. A mecânica pura não prevê isso. Na física clássica, o estresse constante leva à fadiga e à ruptura do material da ponte de aço. Na biologia funcional, o estresse controlado leva ao fortalecimento. Então, tipo, se você trata o corpo apenas como a sua ponte de aço, Você constrói modelos falhos.

Olha, o seu argumento é bom, mas ele ignora um detalhe temporal gigantesco. A adaptação óssea que o Evans descreveu no século 20, ela só pôde ser compreendida porque muito antes a engenharia definiu o que é tensão mecânica, definiu deformação elástica, fadiga de material.

A linguagem, você diz?

Sim, a abstração matemática forneceu a linguagem que permitiu à biologia articular as suas descobertas. E isso nos leva diretamente ao verdadeiro divisor de águas da nossa área, que é a era da computação nas décadas de 50 e 60.

A era dos cálculos sem fim.

E necessários. O Marei sonhava em calcular as forças de reação do solo durante a marcha lá atrás. Mas a quantidade de equações diferenciais envolvidas no cálculo do torque de uma única articulação em um único passo exigiria meses de trabalho manual.

É inviável?

Totalmente. A biomecânica explodiu nos anos 60 exatamente porque o computador digital permitiu que a gente calculasse a cinemática e a cinética quase em tempo real. A matemática não era o problema, a velocidade de cálculo é que era o gargalo. Quando o computador resolveu isso, figuras gigantes como Arthur Steinler e Wal Burstyn puderam ensinar mecânica rigorosa a cirurgiões.

Bom, O processador digital foi, no fim das contas, apenas uma calculadora glorificada.

Nossa, só uma calculadora?

Para o problema biológico, sim. Ele resolveu o volume enorme de equações, não nego isso. Mas a medição matemática não resolve o mistério do controle, sabe? E aqui a gente precisa obrigatoriamente falar sobre o russo Nikolai Bernstein.

Ah, o problema dos graus de liberdade?

Ele mesmo. Porque o Bernstein destruiu essa ilusão de que o movimento é apenas o resultado de torques articulares programados. Enquanto o Ocidente passava a década de 50 fascinado ali com o mapeamento cinemático das alavancas, o Bernstein estava investigando o sistema nervoso central.

E aí ele formulou o famoso problema de Bernstein, que é, de forma simples, o desafio de quantificar as opções redundantes do sistema músculo-esquelético, certo?

Vai muito além de quantificar, na verdade. Pensa no ato banal de pegar uma xícara de café sobre a mesa agora. O seu ombro, seu cotovelo, pulso e os dedos, eles têm dezenas de articulações e dezenas de músculos atuando sobre cada uma delas.

São muitas variáveis.

O número de combinações possíveis de ativação muscular e trajetórias para realizar essa simples tarefa é tipo infinito para efeitos práticos. Um braço robótico de fábrica tem um caminho fixo, previsível, super otimizado pela engenharia clássica. Mas o ser humano, nós nunca repetimos exatamente a mesma ativação neuromuscular duas vezes, mesmo cansando a xícara no mesmo segundo. Eu sei, exato como o cérebro escolhe em milissegundos qual trajetória usar entre milhões de opções disponíveis.

O seu computador super potente calculando a cinética não faz a menor ideia do porquê o cérebro reduziu os graus de liberdade daquela forma específica. E olha que o trabalho do W.O. Fenn, com análise cinematográfica lá em 1929, ou do Wave Hill, com a eficiência termodinâmica muscular, eles provaram isso muito antes dos computadores digitais. O custo energético dita as regras do movimento, não apenas a alavanca em si.

Tá, eu concordo que a complexidade do controle motor que o Bernstein propôs é inegável, é genial. Mas ideias geniais morrem no vácuo sem uma estrutura que as valide, sabe? Que dissemine isso. Pra que o mundo pudesse sequer testar as hipóteses do Bernstein sobre graus de liberdade, a área precisou de algo extremamente mecanicista e metódico.

E o que seria?

A padronização institucional e acadêmica. E foi essa obsessão com o rigor, herdada das engenharias, que legitimou a biomecânica globalmente. Na década de 60, não foram os biólogos que estruturaram a área. Nós tivemos a criação dos primeiros grandes laboratórios dedicados. Tipo o laboratório do Richard Nelson, na Penn State, em 66, e o do John Cooper, na Universidade de Indiana, em 67.

Eles criaram os protocolos, imagino.

Exato. Eles criaram os protocolos, as matrizes de calibração, uma linguagem comum de verdade.

Uma linguagem comum falada por um grupo muito seleto e bem homogêneo, diga-se de passagem.

A ISB, em 73, seguida da Sociedade Americana em 76. Olha, essa padronização institucional foi a infraestrutura vital. Sem protocolos matemáticos rígidos acordados internacionalmente, um dado coletado no laboratório de Zurique não significaria nada em Nova York, sabe? Hoje, o Congresso Mundial de Biomecânica reúne até 6 mil pesquisadores. A fundação em bases exatas garantiu a credibilidade perante as agências de fomento.

E ao construir toda essa estrutura institucional sobre fundações puramente ligadas às engenharias tradicionais, os arquitetos dessa ciência institucionalizaram pontos cegos metodológicos que foram catastróficos.

Catastróficos é uma palavra muito forte, mas é a realidade.

O preço dessa tal padronização rigorosa foi a exclusão sistemática da diversidade orgânica. E eu não tô falando apenas de um problema social, Tô falando de um erro científico grave mesmo. Historicamente, a engenharia tem sofrido com a ausência absurda de mulheres. Dados recentes, de 2019, mostram que as ocupações de engenharia nos Estados Unidos eram compostas por apenas cerca de 15% de mulheres. 15%!

É um número muito baixo, sim.

Então, quando esse mesmo ecossistema assumiu o controle das publicações e das sociedades de biomecânica nos anos 70, foram eles que definiram o que era considerado ciência legítima.

E eles definiram isso baseados no método científico rigoroso, focando em problemas de grande escala, tipo desempenho militar, locomoção ortopédica e rendimento esportivo.

Eles definiram isso baseados na própria miopia. É um fato documentado na nossa literatura que por muito tempo pesquisadoras que submetiam artigos sobre a biomecânica do assoalho pélvico ou sobre os impactos das forças de reação do solo na saúde das mamas durante a corrida, elas recebiam respostas de revisores homens afirmando que esses temas não eram relevantes para audiência biomecânica. Nossa, volta na sua analogia da ponte de aço.

Os engenheiros criaram testes e modelos fantásticos, beleza, mas testaram a ponte para apenas um modelo específico de carro, ignorando completamente que metade da frota mundial operava sobre princípios de carga estrutural radicalmente diferentes. A biologia feminina foi tratada como uma variável de ruído que atrapalhava as equações bonitas deles.

Entendo o seu ponto, é uma falha histórica grave.

Foram mulheres pioneiras como a Doris Miller, que foi uma das primeiras formadas na Penn State, e a Carol Wiedel, junto a figuras proeminentes citadas nos anais, sabe, como Christina Gielo-Persac, Roberta L. Russell e Jane Worley. Foram elas que forçaram a entrada dessas variáveis nos laboratórios. Elas desafiaram esse purismo da mecânica clássica e ampliaram o escopo da ciência para incluir toda a gama da complexidade e do trauma tecidual humano real.

É inegável o mérito dessas pioneiras. Mas veja como esse argumento, na verdade, reforça a necessidade de instituições formais. A resistência inicial existiu, sim, como em qualquer paradigma científico que está se consolidando. Mas foram as próprias revistas e os congressos organizados, ou seja, a estrutura institucional, que forneceram a plataforma de validação para que essas pesquisadoras provassem matematicamente a relevância dos achados delas.

Provando as coisas na linguagem deles, você diz.

Sim, mas funcionando. E isso me leva ao melhor exemplo possível de como o crescimento institucional bem coordenado é a verdadeira chave do desenvolvimento biomecânico: a história da disciplina aqui no Brasil.

É, o Brasil é de fato o contraexemplo perfeito, mas não pelas razões que você imagina.

Ah não, para mim o Brasil prova que a organização em torno de eixos acadêmicos é vital. Ao contrário de uma evolução dispersa, o crescimento brasileiro no final do século 20 ocorreu mediante marcos de institucionalização muito rápidos e intencionais, a partir da educação física e do esporte.

Sim, as escolas de educação física foram fundamentais.

Nós tivemos os primeiros esforços analíticos consistentes no início dos anos 70, com estudos sobre natação. Mas a verdadeira decolagem acontece com a inserção oficial da disciplina nos currículos. Em 78, a disciplina de biomecânica foi formalmente introduzida na EFUSP.

A Escola de Educação Física e Esporte lá da USP, certo?

Exatamente. Isso exigiu a definição de ementas super rigorosas. E aí, 10 anos depois, o salto. Em 88 é fundado o Laboratório de Biomecânica da EFUSP e, em outubro daquele mesmo ano, que foi um ano histórico, realiza-se o primeiro Encontro Nacional de Docentes de Cinesiologia e Biomecânica.

Lá em Porto Alegre?

Sim, em Porto Alegre. E foi essa organização cirúrgica de pesquisadores que estruturou o que se tornou o atual e prestigiadíssimo Congresso Brasileiro de Biomecânica. Então, tipo, a história de sucesso da produção de pesquisa no Brasil é essencialmente a história de estruturação de currículos e sociedades.

Olha, você lista as datas institucionais perfeitamente, mas você ignora completamente o contexto transdisciplinar que fez do modelo brasileiro um sucesso tão grande. Nos Estados Unidos, as raízes iniciais estavam profundamente ancoradas naqueles departamentos de engenharia mecânica pesada e bioengenharia ortopédica. Era matemática pela matemática, sabe?

E no Brasil?

No Brasil, como você mesmo acabou de apontar, a semente floresceu dentro das escolas de educação física e esporte. Essa é uma diferença de paradigma gigantesca. A apropriação brasileira não ocorreu através de engenheiros isolados projetando ligamentos cruzados em programas de computador fechados numa sala. Ocorreu através de cientistas do movimento mão que estavam lidando com pessoas reais, atletas reais, com a reabilitação no dia a dia.

O que não exclui o fato de que eles precisaram adotar os exatos mesmos modelos de fotogrametria, eletromiografia e plataformas de força desenvolvidos pelas engenharias globais para dar legitimidade às pesquisas. Eles usaram a matemática, eles adotaram as ferramentas, concordo, mas eles subverteram a filosofia.

A estruturação sociológica da biomecânica no Brasil foi uma adaptação local genial. Sabe por quê? Porque agregou, por pura necessidade, uma pluralidade de visões que o modelo norte-americano inicial repelia. Se você for ao Congresso Brasileiro de Biomecânica hoje, você não vai encontrar um clube exclusivo de engenheiros debatendo a inércia.

É bem diversificado mesmo.

Muito. Você vê especialistas em ergonomia industrial sentados lado a lado com fisioterapeutas discutindo o controle motor de pacientes com Parkinson. Dividindo dados com educadores físicos que estão avaliando eficiência energética em corredores de rua. E também tem engenheiros clínicos lá desenhando próteses ativas. A expansão consistente da publicação científica brasileira hoje se baseia nessa capacidade orgânica de juntar múltiplos graus de liberdade, e aqui digo múltiplas disciplinas acadêmicas, em prol de uma compreensão holística do movimento.

O Brasil usou o modelo de graus de liberdade do Bernstein na própria organização do tecido científico. Olha que poético!

Eu reconheço a elegância de comparar a organização acadêmica brasileira ao problema dos graus de liberdade. É uma analogia bonita. Mas a gente não pode deixar o romantismo da transdisciplinaridade ofuscar o núcleo duro do que faz da biomecânica uma ciência de verdade, sabe?

O núcleo duro matemático.

Sim, sem a abstração metodológica que nos permite tratar o pé de um corredor de rua temporariamente como um corpo rígido, sem as equações de Newton, agora traduzidas por softwares complexos, e sem essa validação estruturada em sociedades científicas globais e nacionais como essas formadas no Brasil lá em 88, a área ainda estaria restrita a observações qualitativas muito superficiais. A revolução que começou com Descartes e explodiu com o computador digital foi a espinha dorsal que sustentou todo o resto.

Nós só conseguimos enxergar a complexidade orgânica porque iluminamos a biologia com os holofotes impiedosos e deterministas da matemática pura.

Bom, e o meu ponto final é que uma espinha dorsal isolada não tem movimento próprio. O valor real, contínuo e evolutivo dessa área não repousa na velocidade do cálculo computacional ou na precisão de uma câmera infravermelha, mas na inevitável inacreditável submissão disso tudo à resiliência e à variabilidade do ser vivo. O tecido ósseo que se repara dinamicamente contra a tensão, o sistema nervoso que resolve paradoxos de graus de liberdade que destruiriam qualquer computador linear, e acima de tudo, a superação dos dogmas excludentes que mantiveram a biomecânica feminina nas sombras por tantas décadas.

O rigor matemático é uma ferramenta fenomenal, mas ele só passa a fazer ciência de verdade quando o pesquisador reconhece que o sistema humano, e por extensão o sistema científico que o estuda, é infinitamente adaptável.

Olha, o que essa discussão toda nos mostra, de uma maneira até que bastante clara, é que o campo atual não pode ser definido exclusivamente por nenhuma das nossas posições de forma isolada, né? A biomecânica moderna, ela pulsa na tensão exata entre essa abstração mecanicista e as realidades empíricas implacáveis da adaptação orgânica e sociológica. Sem a matemática e estrutura acadêmica forte que foi consolidada desde Zurique até São Paulo, não haveria rigor.

Mas, sem as pioneiras que desafiaram o status quo científico e essa transdisciplinariedade fantástica que forçou a física dialogar com a vida orgânica, o rigor seria apenas um número vazio numa tela. A engenharia daquela nossa ponte teórica do começo da conversa nunca vai estar completa sem entendermos profundamente que tipo de movimento a atravessa. Lembramos que este material pertence ao podcast Aulas do MOTE, do prof. Luiz Mochizuki, da EAFCH-USP.

O professor Mochizuki é responsável pela curadoria do material apresentado. Este material serve de apoio didático às disciplinas de biomecânica ministradas pelos profs Luiz Mochizuki e Ulisses Ervilha.