使用Artec 3D扫描仪探索灭绝物种袋狼的真实体型

23/02/2021

作者Matthew McMillion

几百万年的进化使袋狼成为野外生存专家。袋狼是自然界中最大的食肉性有袋动物,在进化过程中为自己开辟了一块专门的栖息地。但很快,最早一批殖民者出现了。

主要研究员Douglass Rovinsky使用Artec Space Spider在维多利亚女王博物馆和艺术馆扫描袋狼头骨

几十年后,从1830年代早期开始一直到20世纪,几千头袋狼,也称塔斯马尼亚虎,被农民和猎人大规模猎杀,直到只剩最后一只。

它在野外被捕后关在动物园,度过了生命的最后三年。之后,在某个冬日上午,塔斯马尼亚所知的最后一只袋狼本杰明,因意外被关兽舍外过夜而死亡。事情发生在1936年9月。而袋狼死亡的59天前,塔斯马尼亚刚刚为袋狼授予保护动物的地位。

研究员、数字艺术家Damir Martin为袋狼制作的数字形象

最后一只袋狼离世前的许多年,一直流传着有关袋狼的千奇百怪的传说,人们认为它们凶猛残酷,生存能力极强,拥有如北欧神话中狂战士般的顽强体力,能抵御枪林弹雨,甚至还能耗干猎物身上的血液等等。

与此同时,在袋狼还未灭绝,还漫步于塔斯马尼亚土地上时,科学家未能真正对它们展开研究。直到今天,本杰明离开后不到100年,尽管世人对袋狼更为关注,但还有很多科学家无法解释的真相和细节。

Damir Martin创作的一对袋狼数字形象

像袋狼的饮食、交配、捕猎、移动习惯、生活习性,甚至体重,我们都不知道。而袋狼的体重是深入研究其他方面的基础信息。这就涉及到了基础化学和生理学知识。

袋狼燃烧多少能量?它们储存热量吗?消化食物的速度多快?多久进一次食?它们捕猎哪种动物?自然界中繁殖能力如何?要完全解答这些问题,我们首先要知道袋狼的体重。

各学科之间总是相互依存,也就是说,除非我们彻底搞明白了“概念A”,才会停止对它的误解,同时解决有赖于“概念A”的其他相关概念。

Damir Martin制作的一对袋狼数字形象

在研究袋狼的几十年里,多位科学家多次指出缺乏准确体重估算的问题。但之后,并没人解决这个问题,导致很多人都基于25-29公斤的错误估计值进行研究。而且这个估算没有得到证实。

袋狼研究中另一个需要解决的重要问题就是袋狼是否违背“食肉动物能量消耗”(The costs of carnivory)定律。该定律规定了动物能量分配阈值,14公斤或以下的食肉动物一般会以比自己体形小的猎物为食。

但如果食肉动物体重高达21公斤或以上,如狼和美洲豹,通常会以体型和自己相当或更大的猎物为食。对于体重为14-21公斤的食肉动物而言,比如狐狸和野猫,通常以小型动物为食,但偶尔也会猎食稍大的动物。

Damir Martin制作的袋狼数字形象

不了解袋狼的真实体重,那么这个问题,包括其他一些难题,都无法得到科学可靠的解释。

莫纳什大学PhD学生Douglass Rovinsky和包括Justin W. Adams博士在内的四人研究团队意识到这一问题的迫切性,开始着手解决。

这一项目的细节发表在Royal Society Proceedings B科学杂志的《Did the thylacine violate the costs of carnivory? Body mass and sexual dimorphism of an iconic Australian marsupial》一文中。

Rovinsky评价了项目的重要性,“像其他灭绝物种一样,对袋狼了解的越多,就越能帮助我们了解现有物种,了解它们是如何应对环境变化的,目前,世界各地的自然界环境都在发生急速改变。”

这项研究需要他们前往世界各地,在史密森学会等东西方博物馆和研究院内,对现存袋狼标本开展研究。

Rovinsky及其团队很早就意识到,单纯依赖传统的体重估算方式,即通过测量袋狼牙齿进行线性回归,这种方式对灭绝动物而言通常错误率较高。

为提高准确率,最好有一只和袋狼高度相似的活物。袋狼关系最近的近亲是袋食蚁兽,约1磅(0.5公斤)重,身材小巧,身披软毛,以白蚁为食。这样即可对两者进行等比例缩放。

Rovinsky及其团队决定同时使用多种体重测算方法,包括:牙齿和上臂/大腿骨的线性回归,围绕袋狼骨骼3D模型制作凸包,之后根据数码扫描雕刻栩栩如生的袋狼形象,最后,对扫描后的模型以及雕刻后的袋狼模型(和凸包一样根据骨架扫描模型制成)进行数字称重。

上排从左往右:Artec Leo扫描的袋狼骨架和用于数字称重的骨骼凸包体模型
下排:雕刻后的3D袋狼体模型(带纹理与不带纹理版),用于数字称重

为顺利完成这项大工程,在多相全谱分析前,他们需要为几百件袋狼模型进行3D扫描,并制成高精度3D模型,以便采集绝对准确的测量值。

组织安排是Rovinsky及其团队所面临的一大挑战:所有标本来自全球18家不同的博物馆和研究所,包括墨尔本本地博物馆、澳大利亚和塔斯马尼亚的几家博物馆,以及美国、欧洲、英国的几家博物馆。

为方便在这些旅途中完成袋狼标本的数字采集并用于体重分析,Rovinsky和Adams使用了一款精度达亚毫米级的轻质手持式3D扫描仪Artec Space Spider。两位研究员分头前往不同博物馆和研究所,完成了几百件标本的扫描:骨骼、头骨、骨架、剥制袋狼标本、保存完整的袋狼标本。

Justin W. Adams博士在瑞典自然历史 博物馆用Artec Space Spider扫描保存完整的母袋狼标本

项目启动前,Rovinsky和Adams决定不采用卡尺等传统测量方式,也不采用GDI和摄影测量法这些现代方式。访问每家博物馆的时间极为有限,而且操作过度也会为标本带来不必要的伤害。

以往的方式非常耗时,还得每天麻烦博物馆工作人员看上几个小时。但结果又不尽如人意,和Artec Space Spider 3D扫描的效果相去甚远。

传统方式的弊端在于,操作人员需要在测量过程中反复摆放标本。但有了Artec Space Spider,数据捕获准确度高达0.5毫米,比其他方式快了几十倍,而且操作步骤也可忽略不计。

Justin W. Adams博士在瑞典自然历史博物馆用Artec Space Spider以亚毫米级精度对母袋狼标本进行3D采集

和以往经历相比,Rovinsky说,博物馆工作人员发现扫描时间很短,而且对标本风险极低后,简直“喜出望外”,因为只要几分钟,不会影响他们的正常工作。不过,即使扫描很快,博物馆馆长和其他工作人员也会出于好奇,选择留下旁观Space Spider的扫描过程。

“看到Space Spider操作起来如此迅速简单,他们都十分惊讶。和其他不使用Space Spider的研究人员不同,我们对环境要求不高。不用很大的场地,不用控制光线,也不需要占用他们太多时间,” Rovinsky说道。

Rovinsky还提到,博物馆工作人员在见到Space Spider之前就被震惊了,“工作人员说,这里有12件标本,我们会说,接下来12小时就能搞定,什么时候再给12件?只能说他们总觉得数据采集要很久。”

Rovinsky在用Space Spider采集动物标本时,也不断优化工艺。扫描简单物体时,比如狼或袋狼的前肢骨骼,他说,“这个处理起来相对快捷轻松,每件标本只要几分钟。通常每件标本我扫三次。把标本放在小型便携旋转台上,然后扫描几圈。每次扫描大概采集400帧左右。然后把标本翻一面,重复一遍。”

主要研究员Douglass Rovinsky在维多利亚女王博物馆和美术馆用Artec Space Spider扫描袋狼

扫描头骨时,有些标本很简单,但有些就很难捕获完整。“尤其是大型头骨,可能要9份扫描才能采集完整。这种标本的难点在于头骨内侧的扫描,这些部位很难触及,通常需要多次扫描,才能完整捕获颌骨、颧骨、眼眶等部位,”Rovinsky说道。

Rovinsky一般都是离开博物馆后进行Artec Studio扫描处理的,“所有编辑融合工作都是之后进行的。我已经养成习惯了,尽可能不打扰博物馆人员。所以,到馆扫描,扫完离开。所有扫描处理都是事后进行的。”

他继续补充道,“我只要带上Space Spider就行,一整个下午,我能完成20-30份标本扫描。所以,出差收集一次数据,过几个礼拜,我就能带回几百份清晰准确的标本扫描,细节丰富,足以完成工作。”

Rovinsky介绍了Artec Studio的处理流程:“首先手动对齐扫描,然后进行几何全局配准。然后进行尖锐融合,根据物体尺寸选择分辨率。基本上小于狗头大小的,选0.1,更大的标本选0.2。”

他继续说道,“然后我开始跑一到两次平滑算法。然后进行快速网格简化,精简到60万个三角形。最后的60万个三角形在数量上也足够了。当然,60万和150万个三角形头骨间存在分辨率差异,但这种差异对古生物学而言是否有意义就另说了。”

项目下一阶段,Rovinsky与墨尔本Artec金牌授权经销商Thinglab 合作,使用Artec Leo完整扫描了塔斯马尼亚博物馆和美术馆里的袋狼标本,这是一款搭载内置触屏的3D扫描仪,100%无线设计。这些扫描采集了博物馆几套袋狼骨架和全身剥制模型。这些数字骨架之后被用来构建凸包,作为数字雕刻的基础。

Thinglab的Ben Myers在塔斯马尼亚博物馆和美术馆用Artec Leo扫描袋狼骨架

Thinglab的3D扫描总监Ben Myers表示,“我们很喜欢Leo,和自己的客户一样,我们已经应用于很多项目了。Leo诸多功能也让Thinglab工作的我们大吃一惊。过去曲面配准的问题不少,但VCSEL光技术大不一样。”

在塔斯马尼亚博物馆和美术馆用Artec Leo扫描制成的袋狼3D模型

他继续说道,“追踪功能非常优秀,可以围绕物体转动,哪怕物体几何复杂也无妨,可以轻松捕获每个曲面。当然,无线设计加上内置显示屏也使扫描流程变得尤为简单高效。”

Thinglab的Ben Myers在塔斯马尼亚博物馆和美术馆用Artec Leo扫描袋狼剥制标本

项目最后阶段,Rovinsky找到团队成员,数字艺术家Damir Martin。Martin非常善于描绘古世界,很快便开始创作栩栩如生的袋狼3D形象。

值得注意的是,进行本项目前,Martin早已深入研究过袋狼,已经创作了很多以塔斯马尼亚自然界为背景的袋狼形象,效果不错。

Martin的创作以骨架和剥制标本的Leo扫描形象为基础。加上自己对袋狼的深刻认识和Rovinsky、Adam的帮助,他在ZBrush中一步步为每只袋狼的肌肉组织和外貌进行数字雕塑。形象创作完成后,进行数字称重,这些测量数据会和其他体重估算值一起用于其他研究。

Damir Martin创作的袋狼3D形象,达到解剖学级别准确度

Martin这样评价自己的工作:“我一直对灭绝动物很感兴趣。袋狼在很多方面都很特别,它们的样子就独特且神秘。遗憾的是,很多对袋狼的形象修复,从艺术角度而言,没有表现出这种生物外貌的微妙之处。”

“但事实上,我们依靠一些罕见的照片和录像,得知了袋狼的真实外形。所以这个极具挑战性的项目对我来说很有吸引力。”

借助体重估测(由93头袋狼的207份扫描计算得出),Rovinsky及其团队断定公袋狼实际体重约为19公斤(41.9磅),母袋狼为14公斤(30.9磅)。也就是说,公袋狼比母袋狼重30%。

对比过去几十年来对袋狼体重的错误估计,Rovinsky研究团队得出的公母袋狼体重大概只有过去的55%。所以,很显然,袋狼没有违反“食肉动物消耗”定律,它们属于中型食肉动物,约为14-31公斤(30.9-46.3磅),通常以小型动物为食,偶尔捕杀大型动物。

该项目只是袋狼进化生物学研究的一小部分,不仅包括这项针对袋狼体重的研究,还包括使用全球采集的3D数据样本,对袋狼饮食结构、运动能力和袋狼生物特征展开调查研究。

Adam谈及3D扫描对这类研究的重要性时,他表示:“古生物学家终于开始认识到三维模型可以推算出更准确的体重,哪怕只是在电脑上进行电子测算,我们仍然可以测量物体外形,和以往通过回归线绘制变量的方式不同。”

3D科技彻底改变了我们对灭绝动物体型测算的认知。我认为,未来这样的应用实践会越来越多。而且Artec Space Spider和Leo操作简单便捷,可精准捕获这类数据,其潜力不可低估。”

Rovinsky评价了数据在其中的关键作用。“研究的难点在于,我们需要充足的数据才能生成生物体的完整3D形象,而对很多古生物学家而言,这是不可能的。”

“如果只有几份标本,也没有完整骨架的话,是无法实现这样的准确度的。大多数古生物学家甚至没有一块完整的骨骼,更不用说完整骨架了。即便如此,我们依然可以使用Artec扫描仪轻松采集我们需要的海量标本数据。”

Rovinsky还谈到了本项目的深远意义,“我们当然希望能尽可能了解袋狼的真实情况,因为毕竟所有数据、观察结果和我们得出的结论,都是二手的,很遗憾,我们再也接触不到活生生的袋狼了。”

他继续补充道,“所有研究数据都要符合我们的观察结果、理论解释和测量值等等。这也反应出对袋狼体重的认知有多重要。这一看似微不足道的数值,会影响大量有赖于这一数据的其他研究。”