Digitalisierung in der neuesten Forschung: 3D-Scanning bei Hominiden-Ausgrabung in Kenia

Team Artec macht sich auf an den Turkana-See in Kenia, um zusammen mit weltbekannten Paläonthologen versteinerte Überreste vorgeschichtlicher Tiere und Hominiden in 3D zu digitalisieren.

Das Turkana Basin Institute (TBI) führt am Turkana-See in Kenia Forschungen über unseren hominiden Vorfahren durch. Die von den Anthropologen ausgegrabenen Überreste sind eine reiche Infomationsquelle über das Leben vor Millionen Jahren. Indem sie sie untersuchen, können die Wissenschaftler die komplexe Geschichte unseres Planeten rekonstruieren und einige Mythen zu den Lebensformen, die einst unseren Planeten bevölkerten, zurechtrücken.

Louise Leakey von TBI erklärt: „Hominiden, die Vorfahren des Menschen, stellen 1% unter den verschiedenen Fossilien, die wir finden. Meistens finden wir Schweine, Pferde, Elefanten, Nagetiere und andere Kreaturen, die mit unseren menschlichen Vorfahren koexistierten.“ Seit Jahren exhumiert, studiert und konserviert das TBI die verschiedenen Objekte und  erweitert in erheblichem Maße die Sammlung von Kenias Nationalmuseum.

In den Forschungsräumen von  TBI

Während das Institut immer mehr Funde macht, setzt es sich mit der Herausforderung auseinander, sowohl alte als auch neue Funde zu erhalten, verzeichnen und veröffentlichen. Die meisten Konservierungstechniken erfüllen tendenziell nicht das, was die Forscher brauchen, um Rohdaten umfassend zu erfassen. Der Einsatz von Fotografie für die Messung von Entfernungen  zwischen Objekten zur Erstellung dreidimensionaler Modelle zum Beispiel führt häufig dazu, dass ungenaue Bilder des Knochenbaus produziert werden. 3D-Scanner dagegen können Bilder in hoher Auflösung erfassen und hochqualitative visuelle Daten generieren. 

Im August 2014 kamen Artecs Scanning-Experten Denis Baev und Francisco Correa zu TBI in Koobi Fora in den Norden Namibias. Dort gewannen sie einen ersten Eindruck von den Fossilien in der Region und erfuhren von den Herausforderungen beim TBI in Sachen Konservierung.

Wie die Mitarbeiter des TBI begannen Denis und Francisco ihren Arbeitstag im Morgengrauen. Der erste Teil ihrer Reise führte sie in den Sibiloi Nationalpark, eine Gegend, die für ihre Fossiliensammlung „prähistorischer Giganten“ bekannt ist. Vor fast zwei Millionen Jahren war dieser Landstrich von Riesenschildkröten, Krokodilen und Elefanten bevölkert.

Die Fahrt zur ersten Ausgrabungsstelle dauerte mehrere beschwerliche Stunden. Straßen gab es nicht, man bewegte sich nur über Pfade fort. Dann erblickten Denis und Francisco einen der prähistorischen Riesenräuber. Nun ja, eigentlich nur ein versteinertes Stück von ihm.

Zuvor hatte Louise Team Artec instruiert, wie Fossilien anhand von Farbe, Textur und Muster erkannt werden können. Nach einigen Anpassungen an die Arbeitsweise von Denis und Francisco wurde es klar, dass hier und dort – eigentlich überall – Fossilien herumlagen!

Fossils im Sibiloi Nationalpark.

Nach dreißig Minuten gelang es ihnen, einen massigen, auf Felsen ruhenden, versteinerten Krokodilschädel zu finden. Vor ungefähr zwei Millionen Jahren lauerte diese prähistorische Spezies hier wohl auf ahnungslose Säugetiere. Ihr enormer Kiefer legt nah, dass sie sich von zähem, sehnigen Fleisch ernährte.

Als das Team ankam, wirkte der alte Schädel verändert. Sieben Jahre waren vergangen, seit Louise zum letzten Mal an der Stelle gewesen war. Im Unterschied zu anderen Funden von TBI waren die Wände, errichtet, um ihn vor der Witterung zu schützen, verschwunden. Dennoch waren es nicht Wind und Wetter, die diesem zehn Pfund schweren Fragment der Geschichte Schaden zugefügt hatten. Die Beschädigungen erwiesen sich bedauerlicherweise als irreparabel. Dennoch begannen wir das, was vom Schädel übrig war, mit Eva zu scannen.

Einsatz von Artec Eva für das Scannen von Überresten eines prähistorischen Krokodils

Unweit des Schädels fand sich ein Gebäude, in dem ein komplettes Skelett eines anderen Krokodils aufbewahrt wurde. Denis machte sich sofort daran, den einzigartigen Fund in 3D zu erfassen. Er nutzte Eva, um das gesamte Skelett zu scannen, und dann noch unseren Spider, um kleinere, detailreichere Bereiche des Körpers zu erfassen. Insgesamt dauerte die Digitalisierung des prähistorischen Krokodils gerade einmal zwanzig Minuten – einen Bruchteil der Anfahrtszeit zur Ausgrabungsstätte. 

Denis mit kompletter Ausrüstung mit Artec Eva

Das Ergebnis – eine 3D-Abbildung des versteinerten Krokodils

Nachdem die Krokodile gescannt waren, machte sich Denis an einen Schnappschuss von einer Riesenschildkröte. Den nächsten Tag hob er sich auf für den gewaltigen Elephas recki, einen riesigen Elefanten, ähnlich dem heutigen Elephas maximus (Asiatischer Elefant), allerdings bedeutend größer. 

Während der Transport vieler Fossilien sich aufgrund ihrer Größe schwierig gestaltet, sind sie vor Ort dank Artecs 3D-Visualisierungstechnik problemlos zu scannen

Versteinerte Überreste sind für Wissenschaftler wie Goldminen. Doch anders als das Edelmetall, welches relativ einfach abgebaut werden kann, sind die gigantischen Skelettstrukturen einfach zu groß und empfindlich, als dass sie bewegt werden könnten. Darüberhinaus verraten am Fundort belassene Fossilien den Wissenschaftlern bedeutend mehr nicht nur über die Objekte, sondern auch über ihre Umwelt. In der Tat eröffnet sich an der Fundstelle eine Menge an Kontextinformation, zu deren Entschlüsselung Experten aus verschiedenen Disziplinen benötigt werden. Die Forscher am TBI müssen daher unter anderem sehr eng mit Geologen und Genetikern zusammenarbeiten. 

Damit jedoch interdisziplinäre Zusammenarbeit geschehen kann, müssen die an so abgelegenen Orten wie dem Turkana-See gewonnenen Daten allen verfügbar gemacht sein. Dank des Fortschritts in der digitalen 3D-Visualisierung ist das Teilen und Erhalten von Entdeckungen aus der Forschung bei vielen Wissenschaftlern mittlerweile Teil der Alltagspraxis.

Louise und ihr Team nutzen Artecs Eva und Spider praktisch jeden Tag. Manchmal führen sie die Artec Scanner sogar Gastwissenschaftlern vor, woraufhin diese oft entscheiden, dass die Technik für ihr eigenes Arbeitsfeld ebenso notwendig ist. Aktuell setzen sie Artec Scanner ein, um Fossilienteile, die bisher in Museumssammlungen aufbewahrt wurden, in 3D zu scannen.

Die Arbeit von TBI im Bereich Erhaltung erinnert an einige von Googles Art Projects zur Digitalisierung von Kunstobjekten. Google Art Projects begann 2011 und dient als virtuelles Portal in die Ausstellungen der involvierten Museen. Es zeigt hochauflösenden Bilder einiger der höchstdotierten Besitztümer in der Kunstwelt. Für diese Vorhaben wurde u.a. auch Artec Eva eingesetzt. 

Ausgegrabene Überreste, die noch 3D-gescannt werden müssen

Die Forscher am TBI finden, dass jeder einfachen Zugang zu den Informationen, die sie in jahrelangen Fossilienfunden und Katalogisierungen am Turkana-See angesammelt haben, bekommen sollte. Bedauerlicherweise war das Katalogisieren in 3D, besonders von komplexen, detail- und texturreichen Funden wie Schädel- und Zahnfragmenten, technisch schwierig und bis vor kurzem unerschwinglich teuer. In unserem Interview  mit Leakey erzählte sie uns von ihrer Erfahrung mit dem Einsatz unterschiedlicher Technik für die digitale Bilderfassung: „Ich kenne die Scanner, die wir zuvor und offensichtlich basierend auf Fotogrammetrie genutzt haben, und mit denen man nur ein bestimmtes Maß an Details und Genauigkeit erreichen konnte. Eure handgeführten Artec Scanner sind in der Tat sehr schnell bei der Erfassung und sie erlauben einem, noch viel mehr zu machen, als selbst vor wenigen Jahren noch möglich gewesen wäre.

1,9 Millionen alter Schädel eines Homo habilis, der mit Artec Spider 3D-gescannt wurde

Artec Spider 3D erfasst Details und Textur dieses Paranthropus boisei mandible

Artec 3D Scanner helfen dabei zu ermöglichen, dass vorgeschichtliches Leben unmittelbar betrachtet werden kann. Die hochauflösenden Erfassungskapazitäten münden in verblüffend lebensechte digitale Nachbildungen, die gespeichert, online angezeigt oder 3D-gedruckt werden können. Außerdem bieten sie ihren Nutzern Schnelligkeit, Flexibilität, Tragbarkeit und Bedienungsfreundlichkeit. Leaky stimmt alldem zu: „Eine Nachbildung eines Fossil auf dem Computer haben und sie sich dort anschauen können – so etwas konnte wir nie machen. Es war ein großer Durchbruch, als wir nun so viele De­tails erfassen konnten. Und wir können jetzt auch irgendwo im Nirgendwo scannen. Wir können nun sofort während des Grabens scannen, sobald etwas an der Oberfläche erscheint. Tag für Tag oder Stunde für Stunde können wir nun neue Informationen erfassen. Tatsächlich könnte der ganze Ablauf so dokumentiert werden.“ Und mit Artecs unschlagbarem, langanhaltendem Akkusatz ist die Dokumentation vor Ort, weit weg von ständigen Energiequellen, eine realistische Möglichkeit geworden.

Nur 30 Minuten Scanzeit und einwandfreie Nachbearbeitung mit Artecs Algorithmus für automatisches Zusammenfügen

Traditionell war die Forschung Museen und ausgewählten Laboratorien auf der ganzen Welt vorbehalten. Fossilien bleiben dadurch von einem größeren Publikum relativ abgeschnitten. Die bemerkenswerte Sammlung von TBI stellte da bis vor kurzem keine Ausnahme dar. Museumsstücke und Laborobjekte gehen selten auf Reisen. Sind sie aber einmal digital nachmodelliert, können sie unendlich vervielfältigt und per Mausklick über die ganze Welt verteilt werden. In diesem Sinne hat 3D-Scanning Wege aus den Nischen der Museen und Labore erschlossen und aktuelle Forschungserkenntnisse den digitalen Medien zugänglich gemacht. 

3D-gerenderter Panzer einer Riesenschildkröte mit Maßangaben und Beschriftung

Dies war es auch, was Louise inspirierte, African Fossils, eine Webseite für die Virtualisierung des Laborlebens von TBI, zu starten. Mit einer Kombination von 3D-Erfassungswerkzeugen, darunter auch Artec 3D-Scanner, bringt sie nun die Forschungserkenntnisse von TBI an Interessenten und Labore auf der ganzen Welt.

Diese Art von Technologie eröffnet neue Möglichkeiten für die Art und Weise, wie wir über die Menschheitsgeschichte sprechen. In einem Interview mit Artec bestätigt Louise: „Wir sahen es wirklich als eine Chance, Fossilien nicht nur als digitale Abbilder für unsere weit entfernt gelagerten Sammlungen zu scannen, sondern es Menschen überall auf der Welt zu ermöglichen, sie genauer zu studieren und anzuschauen.“ Die Kombination der Visualisierungskraft von Artec Scannern mit der grenzenlosen Reichweite des Internet lässt die geographischen Entfernungen, die wissenschaftlichem Austausch oft im Wege stehen, praktisch verschwinden!