3D Printed Rhinoceros Skull
State-Of-The-Art Technologies Provide Researchers With New Insights
Med industriella avbildningsprocesser och 3D-printning är det möjligt att återuppliva utdöda arter och för vetenskapliga och forskningsändamål och att på så sätt få ny information om deras levnadsförhållanden
När paleontologer och vetenskapsmän ser filmer som Jurassic Park är det sannolikt att de flesta av dem fokuserar mindre på den spännande intrigen än på frågan om hur producenterna av Hollywoodfilmer har så bra förståelse för hur sedan länge utdöda arter rörde och betedde sig. Till och med efter flera årtiondens forskning kan de flesta experter inom den här branschen bara göra vaga uttalanden om hur en ankylosaurus levde. Även dessa forskningsresultat är mycket kontroversiella inom yrkeskåren.
Det grundläggande problemet är att vi bara kan dra några få slutsatser, med bara en viss mån av visshet, baserat på efterlämningarna av djuren. Det är svårt att ge fakta med bara en ytlig analys. Detta är ett problem som vi ser inte bara inom paleontologin, utan något som i allt högre grad behöver utvidgas till andra branscher inom biologisk forskning. Klimatförändringen och att naturliga miljöer försvinner, för att inte tala om tjuvjakt, innebär att fler och fler vilda djurarter är utrotningshotade eller att de redan har försvunnit från jordens yta. Lyckoträffar såsom den nyligen återupptäckta Wondiwoi-trädkängurun som man trodde var utdöd, är sällsynta. Forskningscentra som Hamburg universitets naturhistoriska centrum (CeNak) som är engagerat i forskning angående biodiversitet och evolution, måste vara kreativa för att få tillförlitliga resultat.
Här spelar den toppmoderna röntgentekniken vetenskapsmännen direkt i händerna. Den senaste utvecklingen möjliggör strategier som var otänkbara för bara tio år sedan. I synnerhet erbjuder detaljerade analyser med hjälp av dagens datortomografi med hög upplösning samt 3D-printade modeller baserat på detta, en mängd helt nya möjligheter för grundläggande vetenskaplig forskning.
Digitaliserad noshörning
En av dessa kreativa lösningar för forskning som rör hotade eller utdöda arter, användes på en av de vetenskapliga inventarierna hos CeNak. Som en del av en utställning med namnet ”Arv som håller på att försvinna: Världen som skog” ville man fästa uppmärksamhet vid i synnerhet Sumatranoshörningen. Bara 100 individer av denna art uppskattas finnas kvar i livet och CeNak har ägt en skalle från ett exemplar sedan 1920-talet. Tidigare var det emellertid svårt att dra specifika slutsatser om benstrukturen och dess anatomi.
Prof. Thomas Kaiser, chef för studierna om däggdjur och paleoantropologi vid CeNak använde utställningen som en möjlighet att söka efter partner som kunde göra en mer detaljerad studie av skallen. Experternas val var YXLON International, ett företag som specialiserar sig på industriell röntgenfotografering och datortomografi. Forskaren hade som mål att skapa en 3D-skannad bild av skallen som var avsedd att å ena sidan fästa uppmärksamhet vid att denna allvarligt utrotningshotade art är nästan utdöd, och att å andra sidan användas för vetenskapliga studier av djuret.
För Yxlon, där man normalt känner sig mer bekväm med gjutningar, motorer och elektronik, var denna mycket utmanande uppgift bara en bland många inom en växande efterfrågan på användningsområden inom naturvetenskaperna. I tidigare skanningar hade Yxlon bara studerat små djur som grodor, ormar, fossiler eller individuella djurorgan. Sumatranoshörningens skalle som var flera gånger större utgjorde därför en betydande utmaning. ”För exemplar av den här storleken måste vi använda ett lämpligt stort system och speciell inspelningsteknik för att få högsta möjliga upplösning”, förklarar Dr. André Beerlink och Philip Sperling, Sales Manager Science & New Materials vid Yxlon. Sist och slutligen bestämde man sig för att använda YXLON FF85 CT-systemet med dubbelhelixteknik. Där roterades skallen flera gånger under skanningsprocessen för att avbilda den helt och få en bra upplösning. Därför blev det möjligt att uppnå det mål som vetenskapsmännen som arbetade med Prof. Kaiser hade, att få den mest realistiska digitala 3D-volymen i hög resolution för att kunna simulera biomekaniskt beteende.
Precision på en mikrometer när
Efter tomografin och viss efterredigering av råa data och skannade filer var verket klart att beskåda. Experterna hos Yxlon hade lyckats skapa en precis digital kopia av noshörningsskallen. Alla som var inblandade i skanningen var överraskade över den otroliga detaljnivån. Tack vare datortomografin och den speciella dubbelhelixtekniken var det möjligt att till och med inuti skallen spåra och kopiera de allra finaste strukturer som till sin storlek var bara cirka 100 mikrometer. Den digitala 3D-volymen gav forskarna mängder med ny information som hade legat dold under tidigare forskning. Nya kunskaper om benstrukturen samt den biomekaniska placeringen av de två käkdelarna i relation till varandra gjorde det omedelbart möjligt för forskarna att samla in vissa belägg i fråga om djurets ålder, kost och livsstil som tidigare hade varit okända.
Förutom utställningen hos CeNak, där den färglagda skannade skallen visades som ett visualiserat, främmande objekt och var avsett att fästa uppmärksamhet vid denna utrotningshotade art, användes även den digitala 3D-volymen för biomekanisk simulering av käkens rörelser. Med inskränkta elementsimulationer var det möjligt att använda den skannade skallen för att studera distributionen av krafter i käken och skallen. De slutsatser som kunde dras från detta i fråga om benstrukturens morfologi, gör det möjligt för forskarna att göra vidare djupa antaganden i fråga om djurets levnadsförhållanden. I fråga om Sumatranoshörningen kunde dessa data i bästa fall ge anvisningar om habitat som kunde tänkas vara lämpliga för att flytta den utrotningshotade arten. Det bästa scenariot vore att man eventuellt även kunde förhindra fullständig utrotning.
För vetenskapsmännen som arbetar med Prof. Kaiser och kuratorerna för CeNak-utställningen, representerar den skannade skallen därför en bas som de kan använda för vidare forskning och utveckling. Men även för Yxlon var den slutliga skannade bilden långt från slutet på denna historia.
Troféjakt utan bytesdjur – 3D-printning möjliggör bedrägligt realistiska kopior
På grund av den höga kostnaden för en skannad bil och dess exceptionellt höga kvalitet och sällsynthet blev det snabbt uppenbart för Yxlon att detta projekt kunde vara en viktig möjlighet att demonstrera kapaciteten i företagets toppmoderna DT-system och dess expertis. Företaget borde använda den skannade skallen av Sumatranoshörningen som en juvel i sin krona. Medarbetarna hos Yxlon hade emellertid ett tight schema om de skulle kunna presentera den på ett passande sätt vid nästa mässa.
Medan de sökte på internet under en affärsresa till New York blev de medvetna om Protolabs, en källa för tillverkning av anpassade prototyper och produktion i låga volymer med additiv tillverkning samt formsprutning och CNC-processer. Eftersom de bara hade tillgång till den sparade skannade skallen medan de var på resande fot var Protolabs enkelt tillgängliga tjänst för datauppladdning och onlinebeställningar mycket praktisk. Företaget lovar att tillhandahålla även komplicerade filer och designer i flera olika material och på kort tid, samtidigt som det förblir så intuitivt och enkelt som möjligt för användaren. Experterna hos Protolabs tog kontakt redan nästa dag för att diskutera fortsatta steg eftersom den här typen av 3D-printning var ovanlig till och med för dem.
Trots den begränsade tiden fram till invigningen av mässan och den korta ledtiden för den faktiska 3D-printningen samt de obligatoriska justeringarna i den skannade bilden för att säkerställa att den additiva processen var möjlig, lyckades experterna hos Protolabs ta fram en bedrägligt realistisk kopia av Sumatranoshörningens skalle. Det gick till och med att identifiera de allra minsta detaljerna från originalet på modellen, det var bara materialet som var annorlunda. I stället för ben använde man materialet Acura Extreme White 200 i den 3D-printade modellen, vilket gjorde den något ljusare, utan fläckar. Philip Sperling och Dr André Beerlink var överlyckliga över kvaliteten.
I framtiden kan sådana 3D-printade modeller dock användas inte bara som demonstrationsexemplar på mässor. Exemplet med Sumatranoshörningen har visat at DT-skanning och additiv tillverkning kan användas till att skapa bedrägligt realistiska kopior av sällsynta fossiler som är ovärderliga för forskning och undervisning. Moderna tekniker kan användas till att göra antaganden om hur djur lever och beter sig och samtidigt kan de skapa exemplariska forskningsobjekt för testning och vidare forskning angående levande djur som sedan länge har försvunnit från jordens yta. Det är även så här som Daniel Cohn, verkställande direktör för Protolabs Tyskland ser saken. ”Även om det är en speciell utmaning att reproducera fossiler är det värt all mödan för att få en så pass exakt kopia. Vi är stolta över att kunna göra en fantastisk tjänst för vetenskapen med våra kopior, och att kunna bidra till skyddet av arterna.”