3D-моделирование преображает палеонтологию
- Винсент Росси, эксперт-лазерщик, оценивает уровень качества копий, изготовленных на 3D-принтере, — сходу кидаются в глаза миниатюрный посмертная маска и скелет мастодонта Авраама Линкольна.
«Лазерные ковбои» за работой
Пиенсон, заведующий отделом морских ископаемых млекопитающих Смитсоновского университета, солидную часть собственного рабочего времени проводит в отыскивании останков древних китообразных. в течении последнего года его чилийский сотрудник Марио Суарес приглашал Пиенсона приехать, дабы взглянуть на окаменелости, неспешно обнажающиеся на протяжении работ по расширению трансконтинентального шоссе.
Пиенсон уже видел пара фрагментов черепа, выкопанных при этих работах, — их сокровище была низка. И вот наконец, пребывав в Чили по вторым делам, Пиенсон дал согласие посмотреть к Суаресу. Сейчас, стоя на обочине, он осознал, из-за чего сотрудник был так настойчив: дорожные рабочие извлекли на свет не просто пара китовых костей, а практически целое китовое кладбище.
Перед исследователем расстилались скелеты по крайней мере сорока доисторических китов, причем кое-какие из них достигали десятиметровой длины. Находка давала слово стать самой большой в мире коллекцией китовых останков.
Дабы разобраться в обстоятельствах смерти кальдерских китов, необходимы важные временные и денежные ресурсы. Палеонтологическая экспедиция обязана предварительно задокументировать каждую находку, не извлекая ее из почвы, — так скелеты возможно соотнести с окружающей обстановкой, со средой, в которой киты нашли собственную смерть. Но в этом случае у исследователей просто не было времени для всех нужных процедур, потому, что кладбище расположилось в самой гуще строительных работ.
На все про все муниципальные власти Кальдеры выделили палеонтологам один месяц.
И Пиенсон отыскал ответ, причем не локальное, а талантливое оказать влияние на будущее всей палеонтологии как науки. Он отправился к себе, в Вашингтон, и через 14 дней возвратился с Винсентом Росси и Адамом Металло, двумя молодыми учеными, трудящимися в Смитсоновском университете с трехмерной оцифровкой экспонатов. Вместо лопат, совков и гипса для слепков они привезли на стройплощадку видеокамеры и лазерные сканеры.
«Лазерные ковбои», как прозвал их Пиенсон, установили над площадкой тенты и в течение шести дней по 20 часов в день трудились, фиксируя миллиарды пикселей графической информации. Возвратившись в университет, Пиенсон с сотрудниками на базе взятых данных воссоздали место раскопок в цифровом виде. Сейчас они имели возможность какое количество угодно трудиться на виртуальном кладбище в отыскивании обстоятельства смерти китов.
Более того, у них появилась новая возможность делиться информацией, распечатывая отличные трехмерные копии ископаемых. В частности, Смитсоновский университет объявил выставку, на которой будет представлен десятиметровый скелет одного из китов, похороненных в Кальдере. Экспозиция будет организована в Национальном музее естественной истории, и это будет самый большой в мире объект для того чтобы рода, изготовленный на 3D-принтере.
Кроме палеонтологической ценности, будущая экспозиция поведает публике о том, как удачи цифровых разработок меняют жизнь и в сфере науки, и за ее пределами. Возможность максимально совершенно верно сохранять данные всегда была серьёзна для ученых, будь то чертежи, эскизы либо фотографии, но новая разработка разрешает сохранять подробную данные для ее воспроизведения в количестве!
Лазерное сканирование даст Смитсоновскому университету возможность выставлять для широкой публики очень полезные экспонаты из коллекций разных музеев. В частности, в 2013 году «лазерные ковбои» запустили амбициозную программу — они решили создать библиотеку сканов большого разрешения всех экспонатов музеев Смитсоновского университета (а также китовых костей, изученных Пиенсоном). Планируется, что библиотека будет дешева в онлайн-режиме, причем совсем безвозмездно.
Эволюция способов
Методика сканирования и 3D-печати в палеонтологии — это логическое развитие 350-летней традиции создания наглядных пособий. Еще в 1660-х датский анатом Нильс Стенсон поразил ученых тогдашней Европы, опубликовав изображения треугольных минеральных образований («языковых камней») рядом с зубами акул. При сравнении сходу становилось ясно, что камни представляли собой окаменелые акульи зубы.
Потом палеонтологи увлечённо хватались за каждые новые технические средства, талантливые оказать помощь наглядному отображению их изучений, — от гравировки на бронзовых пластинах до цветной фотографии. Но, двумерное представление информации в любом случае не может быть полным, и для полноценного изучения образцов палеонтологам приходилось ездить из музея в музей.
В конце 1990-х Тим Роу, палеонтолог из Техасского университета, ввел в практику новый метод обследования ископаемых образцов — при помощи рентгена. Роу изучал кости посредством компьютерного томографа и приобретал подобие трехмерной картины. Томограф имел возможность до некоей степени посмотреть вовнутрь обследуемой окаменелости, отображая внутренние полости и другие скрытые анатомические изюминки.
Фото Эксперты Смитсоновского университета оцифровывают собрание экспонатов для предстоящих изучений; для этого употребляются лазерные сканеры, к примеру Surphaser
Трехмерное сканирование окаменелостей открывает новые возможности для понимания того, как жили вымершие животные. Так, Ларри Уитмер и его коллеги из Университета штата Огайо посредством сканов сумели взять достаточно четкое представление о том, как двигались динозавры; исследуя останки аллозавра, они смогли осознать, как он убивал собственную добычу.
Изучения ученые начали с того, что отсканировали 1,5-метровый череп и шейные кости аллозавра (образцы были забраны из окаменелостей возрастом около 150 млн лет). После этого сопоставили углубления и выступы на костях в тех местах, где когда-то к ним крепились сухожилия и мышцы, с аналогами, имеющимися у современных родственников аллозавра — птиц и аллигаторов. Именно поэтому команда Уитмера смогла примерно оценить размеры и форму фрагментов мягких тканей, а после этого, применяя инженерные программы, вычислила, какие конкретно силы имели возможность генерировать мускулы динозавра и как они приводили в перемещение элементы скелета.
По результатам изучений ученые создали анимационную симуляцию перемещения аллозавра. Обнаружилось, что аллозавр имел хорошую от вторых хищников той эры анатомию: замечательная мышца, протянутая от шеи к голове, разрешала развивать огромные упрочнения в вертикальном направлении, тогда как тираннозавр, к примеру, имел возможность развивать большие упрочнения по направлению из стороны в сторону — жертву он добивал, быстро мотая головой. В компьютерной симуляции Уитмера аллозавр движется в противном случае.
Это больше похоже на то, как ястреб поедает мышь-полевку: птица напрягает шейные мускулы, запрокидывая голову и разрывая жертву на куски.
Но возвратимся к Пиенсону. Один-единственный ископаемый пример может поведать многое, юный же палеонтолог высказал предположение, что при с китовым кладбищем трехмерная визуализация окажет помощь восстановлению целой экосистемы. Под пологом низкой, долгой палатки, которую Пиенсон с сотрудниками натянули над раскопом, Росси и Металло отсняли все элементы кладбища посредством простого фотоаппарата Canon 5D. После этого, пользуясь ручным лазером, они отсканировали любой скелет в отдельности.
Фото Чтобы отсканировать китовое захоронение, Пиенсон обратился к экспертам-лазерщикам.
Возвратившись в университет, исследователи приступили к восстановлению неспециализированной картины на основании взятых данных. Вначале они обработали HD-сканы отдельных скелетов, а после этого, совместив их с фото, взяли трехмерную картину всего раскопа. В некоторых особо важных местах точность трехмерной модели составляла менее 1 мм!
В ходе анализа результатов ученые выделили среди китовых останков кости вторых больших животных — талассокнусов («морских ленивцев), тюленей-и рыб мечей. Вот и вопрос для ученого — как ко мне попали все эти существа?
Тайна кладбища
Чем продолжительнее Пиенсон всматривался в схему размещения костей, тем больше она напоминала ему бойню, и неспешно исследователь начал чувствовать себя не столько палеонтологом, сколько криминалистом. «Если бы мы не обратились к новой разработке, — говорит Пиенсон, — мы остались бы легко с подозрениями о том, что тут когда-то случилась катастрофа, но, взяв трехмерные сканы, мы смогли продвинуться несравненно дальше».
Пиенсон с сотрудниками начали изучить «улики». Прежде всего они подчернули, что скелеты находятся в отменной целостности, другими словами животные не подвергались нападениям хищников либо работе падальщиков. Во-вторых, среди останков выделялись три кита одного и того же вида, прижавшиеся друг к другу — быть может, семья, погибшая одновременно.
В-третьих, Пиенсон подчернул, что останки уложены в четыре отдельных слоя, один поверх другого, и неспециализированная высота слоев образовывает 9 м. Это говорило о том, что большое количество больших животных погибало в этом месте последовательно в течение приблизительно 14?000 лет — где-то от 6 до 9 млн лет тому назад. Ключ же ко всей тайной был фактически на поверхности: Пиенсон с сотрудниками подчернули, что окаменелости покрыты плотной шкурой водорослей. «Количество вероятных объяснений быстро сузилось, — говорит Пиенсон. — Все свелось к красным приливам».
Дело в том, что иногда в океане начинается взрывообразное размножение определенных видов фитопланктона (в большинстве случаев — динофлагеллятов). Водоросли, кроме фотосинтетических пигментов, производят ядовитые вещества, каковые приводят к массовой смерти морских млекопитающих и рыбы.
Науке фактически малоизвестны случаи, в то время, когда от красных приливов погибали китообразные, но редкие наблюдения аналогичных инцидентов рисуют как раз такую картину, какую ученые замечали на трехмерных сканах из Кальдеры. Красные приливы довольно часто повторяются в одних и тех же местах, что и может служить объяснением многослойному характеру захоронений.
- Фото В ближайшее время Смитсоновский университет собирается представить широкой публике десятиметровый скелет кита из раскопок в Кальдере.
Это будет самый большой в мире объект аналогичного типа, изготовленный на 3D-принтере.
Для распространения 3D-разработок Смитсоновский университет собирается организовать особые интернет-порталы с возможностью всестороннего изучения цифровых моделей с точностью до миллиметра. А Росси и Металло, «лазерные ковбои», преобразуют коллекции Смитсоновского университета в трехмерные цифровые образы.
Новый подход обещает стать хорошим подспорьем во многих областях знаний: искусствоведы смогут изучать древние скульптуры, а историки — расшифровывать надписи на древних артефактах. В рамках пилотного проекта Росси и Металло посредством лазеров отсканировали хрупкий череп зубастого кита, которого изучил Пиенсон, и скелет шерстистого мамонта, выставленный в экспозиции Национального музея естественной истории.
«Стенки музеев станут прозрачными, — говорит Пиенсон о возможностях 3D-моделирования экспонатов. — Тяжело угадать, что будет, в то время, когда уникальности попадут в руки любому желающему — для изучений, изучения либо копирования. Будущее непредсказуемо, но оно точно замечательно».
Статья «Живописцы по кости» размещена в издании «Популярная механика» (№141, июль 2014).
<
h4>