Tracking von Meerestieren mit 3D-Scanner Artec Eva

Projektbeschreibung: Die Swansea Universität in Wales setzt 3D-Scan-Technologie von Artec zur Konstruktion individueller Sender-Tags ein, mit denen im Rahmen meeresbiologischer Forschungen das Verhalten von Meerestieren kontinuierlich überwacht werden kann.

Ziel: Aufnahmen von Meerestieren wie Haien, Delfinen und Schildkröten mit dem 3D-Handscanner Artec Eva zur Gewinnung präziser Messdaten für die Entwicklung und den 3D-Druck individuell angepasster Sender.

Verwendete technische Hilfsmittel: Artec Eva, Artec Studio 12

Wer glaubt, dass sich 3D-Scans und Wasser gegenseitig ausschließen, der irrt sich! Denn die professionellen 3D-Scanlösungen von Artec kamen bereits bei einem spannenden meeresbiologischen Projekt zum Einsatz. Geleitet wurde das Projekt von Lloyd Hopkins, einem ambitionierten Doktoranden der Universität Swansea in Wales. Obwohl die 3D-Scanner von Artec noch nicht ganz wasserdicht sind, erwiesen sie sich für ihn als ideale Lösung zur präzisen 3D-Aufnahme von Meerestieren. In der Kombination des portablen 3D-Scanners Artec Eva mit professioneller CAD-Software fanden Hopkins und sein Team eine effiziente Methode, um individuell angepasste Sender für verschiedene Meeresbewohner zu konstruieren.

Mithilfe modernster Tracking-Technologien und führender Datenvisualisierungstechniken erforscht das Labor für Tierbewegungen der Swansea-Universität (SLAM) die Meeresfauna. Mit diesen Verfahren möchten die Forscher auch dann etwas über das Leben der faszinierenden Ozeanbewohner erfahren, wenn diese außer Sichtweite sind. Die mit den personalisierten Sendern gesammelten Daten – etwa zur Geschwindigkeit und Aktivität der Tiere – liefern genaue Informationen über ihr Wanderverhalten. Sie geben zudem Aufschluss über die Auswirkungen, die die Erwärmung der Meere auf die darin lebenden Geschöpfe hat. Hopkins arbeitet mit verschiedenen anderen Institutionen und Gruppen zusammen; dazu gehören beispielsweise die König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie in Saudi-Arabien, das Massachusetts Institute of Technology, das Australian Institute of Marine Science, die Brown-Universität in Rhode Island, die meereskundliche Stiftung Fundacion Oceanogràfic in Valencia und Ecocean, eine gemeinnützige Organisation zur Erforschung und Bewahrung des Walhais. Der Schwerpunkt von Hopkins Forschung liegt auf der Entwicklung nichtinvasiver, anwendungsfreundlicher Verfahren zur Befestigung der Sender an verschiedenen Meerestieren. Sitzen diese Sender zu locker, erfüllen sie nicht ihren Zweck und können sogar abfallen. Sind sie zu straff, können sie die Tiere beeinträchtigen.

Die am Tier befestigten Sender sind ungefährlich und leicht handzuhaben, was auch ihre wachsende Beliebtheit in den letzten Jahren erklärt. Sie werden nicht nur in der Verhaltensforschung, sondern auch für den Schutz und das Bestandsmanagement bestimmter Tierarten eingesetzt. „Ethische Gesichtspunkte sind sehr wichtig bei der Entwicklung geeigneter Verfahren und Techniken. Doch leider werden neue Technologien zur vollständigen Quantifizierung und Simulation der Auswirkungen, die die Sender auf die Tiere haben, häufig nicht erprobt oder zu wenig genutzt.“, stellt Hopkins fest.

Deshalb sollte ein neues Verfahren zur passgenauen Befestigung der Sender an Meerestieren wie Haien, Delfinen und Schildkröten entwickelt und dessen Folgen simuliert werden. Zu diesem Zweck mussten Hopkins und sein Team zunächst bei jedem Tier präzise Messungen zur Körperkontur und zum Körperaufbau durchführen.

So war Hopkins auf der Suche nach einer Lösung, mit der er die Meerestiere schnell und sicher in 3D scannen konnte. Zudem brauchte er eine Software, die ihm und seinem Team die Konstruktion individuell angepasster Sender ermöglichte. Sie entschieden sich für den 3D-Scanner Artec Eva und die Scan- und Nachbearbeitungssoftware Artec Studio 12. Bei Artecs Gold Partner - Central Scanning Limited erhielt das Hopkins-Team die notwendige Beratung und Schulung, um die professionellen 3D-Scanlösungen von Artec optimal nutzen zu können.

3D-Scan einer Haifischflosse

„Wir sind relativ sicher, dass sich die 3D-Scan-Technologie in diesem Forschungsbereich als Standardverfahren durchsetzen wird.“, meint Lloyd Hopkins.

Seiner Ansicht nach sind 3D-Scans die optimale Methode, um große Tiere aufzunehmen und zuverlässige Daten zu sammeln, die problemlos untersucht und weiterverarbeitet werden können. Ohne diese wichtige Technologie müssten sich die Forscher während eines Großteils der Entwicklungsphase auf spärliche Daten und Schätzwerte verlassen, die in der Realität möglicherweise versagen würden.

„Nachdem wir uns entschieden hatten, mit 3D-Scans zu arbeiten, kamen wir ziemlich schnell auf die Marke Artec – wegen ihrer Nutzerfreundlichkeit, ihrer Funktionalität und ihrer extrem leistungsfähigen Software, die einen Großteil der mühsamen Arbeitsschritte für uns erledigte.“

Für ihr Projekt setzten Lloyd und sein Team den leichtgewichtigen 3D-Scanner Artec Eva ein. Mit Eva erfassten sie schnell und präzise die 3D-Daten von konservierten und lebenden Meerestieren, beispielsweise von Haien, Schildkröten und Delfinen sowie einigen Fisch- und Krabbenarten.

Der 3D-Scanner ermöglichte es, die Tiere drinnen und draußen zu vermessen. Dank des tragbaren 3D-Akkupacks von Artec konnte überall gescannt werden, auch direkt neben dem Wasser. Es dauerte nur wenige Tage, bis die notwendigen Informationen über die verschiedenen Spezies zusammengetragen waren. Das ist für ein 3D-Scan-Projekt erstaunlich schnell und unkompliziert, wenn man bedenkt, wie schwierig Aufnahmen von nassen, glänzenden Tieren in Bewegung für die meisten 3D-Scanner sind.

3D-Scan einer Haifischflosse

Der Arbeitsprozess bestand bei diesem Projekt aus folgenden Schritten: Zunächst erstellten Hopkins und sein Team einen Scan in hoher Qualität. Bei den Haien, Schildkröten und Delfinen handelte es sich um konservierte Exemplare, die im Aquarium Oceanogràfic in Valencia aufbewahrt werden. Eine der Haifischflossen, die Hopkins scannen musste, war wegen ihrer Aufbewahrung in einer kleinen Gefrierbox verbogen. Das stellte aber kein Problem dar, da er an der Flosse mehrere Messungen vornehmen und das Modell dann selbst rekonstruieren konnte.

Manche der gescannten Tiere waren allerdings sehr lebendig. Bei der Aufnahme eines lebenden Delfins beispielsweise gelang es den Trainern, das hochintelligente Tier auf die Seite des Beckens zu dirigieren, auf der Hopkins stand, der rasch detaillierte Scans seiner Flossen erstellte. Die Zeit reichte aus, um eine Seite zu scannen und sie dann in Artec Studio 12 zusammenzusetzen.

Um das 3D-Modell des Senders zu erstellen, mussten nach dem Scannen der Tiere noch folgende Schritte durchgeführt werden:

In der CAD-Software Autodesk Meshmixer und Fusion 360 wurde das Design des Senders direkt an die Körperform des gescannten Tieres angepasst. Mithilfe der Scans entwarf und konstruierte Hopkins den Sender in Autodesk Fusion 360. Zudem rekonstruierte er anhand der gesammelten Messdaten eine Flosse. Anschließend nahm er in Meshmixer Änderungen am Polygonnetz vor: So beseitigte er beispielsweise die Scan-„Nahtlinien“ und korrigierte schwierig zu scannende Partien wie das Maul des Delfins.

Der exakt an die Formen des Tieres angepasste Sender war nun bereit für den Ausdruck und den Live-Test. Die harte Arbeit zahlte sich aus: In puncto Größe passte das fertige Produkt auf Anhieb besser als die Sender, deren Maße per Hand genommen worden waren. 

Bei Schildkröten werden die Sender-Tags mit Veterinärkleber und Klettband angebracht. An Haien wird der Tag über einen neuen Klemmmechanismus befestigt, der eng am Tier anliegt. Bei Delfinen werden die Sender momentan noch mit Saugnäpfen angebracht, aber die Scans sollen dabei helfen, nicht-invasive Klammern wie für Haie zu entwerfen.

3D-Scan eines Delfins

Hopkins stellte fest, dass die per 3D-Scan gesammelten Daten sehr viel zuverlässiger und exakter als jene Messdaten sind, die mit der alten Methode gewonnen werden. Die manuelle Datenerfassung ist zeitintensiv und fehleranfällig; außerdem ist es schwerer herauszufinden, wie diese Messungen räumlich zusammengefügt werden müssen. Zwar gibt es die Möglichkeit, Gipsabdrücke zu erstellen, um die Form als Ganzes nachzubilden, aber das funktioniert nur bei kleineren Tieren oder Teilen des Körpers. Darüber hinaus nimmt ein Gipsabdruck viel Zeit in Anspruch. Man muss warten, bis der Gips hart wird – und das ist bei lebendigen Tieren schwierig, da sie nicht lange stillhalten können.

Innerhalb kürzester Zeit hatten Hopkins und sein Team erfolgreich sämtliche Daten gesammelt, die sie benötigten. Obwohl die Forschungsarbeiten für das Projekt noch nicht abgeschlossen sind, haben die 3D-Scans der Meerestiere – insbesondere die 3D-Daten der Delfine – bereits die Aufmerksamkeit spanischer Tiertrainer und Tierärzte auf sich gezogen. Beeindruckt von den Möglichkeiten der 3D-Scantechnologie, sind die Experten der Meinung, dass man bei der medizinischen Betreuung der Tiere enorm viel Zeit sparen könne, beispielsweise bei der Wachstumskontrolle. Auch Autopsien würden mit diesem Verfahren weniger Zeit beanspruchen, da hierbei viele Einzelmessungen an dem verstorbenen Tier erforderlich seien.