DNH 155: Cómo Artec Space Spider ayudó a reconstruir un cráneo de 2 millones de años de antigüedad

El reto: Los arqueólogos que trabajan en la "Cuna de la Humanidad" de Sudáfrica utilizaron un escáner 3D de mano durante la excavación y la reconstrucción manual para ayudar a recomponer con seguridad, a partir de cientos de fragmentos, un cráneo homínido sumamente raro.

La solución: Artec Space Spider, Artec Studio

El resultado: Space Spider escaneó los fragmentos del cráneo tal y como fueron encontrados, junto con el sedimento que los rodeaba, creando así un registro digital preciso de la posición y ubicación de cada fragmento. Esto facilitó enormemente el proceso de reconstrucción manual. Finalmente, después de reconstruir el cráneo, se utilizó Spider para crear modelos 3D de alta resolución que ya se imprimen en 3D para la docencia y la investigación.

"Es una historia que debe ser contada", decía la voz al otro lado de la línea. La voz de Jesse Martin, investigador de la Universidad de La Trobe y co-autor del proyecto. "Porque sin nuestro escáner y el software de Artec 3D no habría sido posible la reconstrucción del cráneo del DNH 155, sobre el que todo el mundo habla."

Martin, junto con sus compañeros de investigación, la Dra. Angeline Leece, junto con el Prof. Andy Herries y un equipo humano, dieron buen uso a su Artec Space Spider. El escáner 3D inalámbrico se usó en cada paso de la excavación y reconstrucción de este extraordinario espécimen de un antiguo pariente humano que evidencia claramente los cambios microevolutivos de su especie.

El artículo de investigación completo se publicó en el Nature Ecology & Evolution el 9 de noviembre de 2020.

Cuando el equipo voló desde su base de Melbourne, en Australia, hasta Sudáfrica, el Space Spider se llevó en el avión como equipaje de mano totalmente protegido. Días después, estaba escaneando los primeros fragmentos de cráneo de DNH 155 que asomaban de un trozo de suelo sudafricano. Y después de cientos de escaneos y meses de agotador trabajo en el campo y en el laboratorio, Space Spider escaneaba el cráneo reconstruido final, para crear imágenes para el propio trabajo de investigación.

Cantera principal de Drimolen, Sudáfrica

El DNH 155, un cráneo casi completo de la especie Paranthropus robustus, uno de nuestros parientes lejanos, fue desenterrado de la cantera principal de Drimolen, justo al norte de Johannesburgo, Sudáfrica, en 2018, por la estudiante de la escuela de campo Samantha Good. Mientras que la mayoría de los descubrimientos de fósiles consisten simplemente en dientes, huesos o trozos de cráneo dispersos, los cientos de fragmentos de DNH 155 fueron encontrados relativamente cerca unos de otros. Pero eso no significa que se hayan unido como piezas de un rompecabezas, nada más lejos de la realidad...

En el campo de Drimolen, con la ayuda de la codirectora Stephanie Baker y durante varios días, Leece separó cuidadosamente del suelo grandes bloques de sedimentos fósiles. Una vez listos, Martin se puso manos a la obra, usando palillos de madera y otras herramientas para extraer minuciosamente del suelo cada fragmento de cráneo. Para evitar que la tierra se desmoronara fue impregnada con pegamento de conservación, para no alterar el entorno.

Para que el pegamento no se incrustara en el sedimento y los fósiles, Martin mojaba continuamente la superficie del bloque con acetona y así suavizar el pegamento. Luego era cuestión de recoger o cepillar suavemente milímetros de tierra poco a poco, incluso aspirar la tierra con una pajilla antes de que el pegamento se secara de nuevo. Tan pronto como uno de los fósiles aparecía, cogía su Space Spider y capturaba el fragmento junto con toda la superficie del sedimento.

DNH 155 viendo la luz tras 20.000 siglos

Martin dice, “Hay una especie de contradicción, en la cual hay que limpiar el fósil y preservarlo, pero para ello, también hay que desmontarlo. O sea que hay que destruir el lugar original para poder reconstruir el fósil con precisión. Escaneando en 3D con Spider, obtengo un registro exacto de cada capa fósil, y más tarde puedo volver a dejar las cosas como estaban.”

Y durante más de 300 horas, Martin y Leece hicieron precisamente eso. Con la colección de escaneos de Space Spider activos en el software Artec Studio, en cuanto surgía una duda sobre la posición o ubicación de un determinado fragmento, con unos pocos clics se abría el doble digital, mostrando la respuesta en segundos.

Space Spider también fue fundamental para reconstruir el DNH 155 a partir de sus más de 250 fragmentos. "Cada fósil fue escaneado numerosas veces a lo largo del proceso de reconstrucción manual, donde estamos reconstruyendo el fósil", dice Martin. "Esto nos proporciona un registro 3D exacto de cada ciclo durante la reconstrucción. Así que, para enfocarnos en el DNH 155, lo escaneamos numerosas veces con Space Spider, en el campo, y también en nuestro laboratorio de la Universidad de Johannesburgo."

Entrando en detalle acerca del proceso, Martin explica: "Como escaneamos las piezas más grandes por separado durante la reconstrucción, también tenemos todos los detalles de la parte interna del cráneo. Si lo piensas, ningún método tradicional podría entrar en el cráneo (excepto quizás el escaneo por TAC), pero como Space Spider es tan rápido, nos resultó fácil escanear las piezas individualmente antes de la reconstrucción final".

Martin destaca una de las mayores ventajas de Spider. "Los dos métodos tradicionales utilizados por los arqueólogos, la fotogrametría y la medición manual con calibres y reglas, implican una manipulación excesiva de los fósiles. Así, tarde o temprano, los fósiles se rallan, se astillan o incluso se rompen".

Artec Space Spider

Martin nos dice, “En todas las colecciones de fósiles que he visitado, constantemente he visto huesos y dientes dañados y arañados por la manipulación continua en el tiempo debido a las mediciones. Con un escáner Artec eso no ocurre, no tenemos ese problema.”

El escaneo 3D con nuestro Artec Space Spider no implica ningún contacto con el fósil para poder medirlo con precisión en sólo unos minutos. Puedo hacer 1000 escaneos de un cráneo homínido y no se producirá ningún desperfecto, pero con los métodos tradicionales de calibres, ya sean de metal o de plástico, se producen daños. Además, para tomar algunas medidas anatómicas de los fósiles en ocasiones es necesario posicionarlos de maneras extrañas y peligrosas.”

Martin describe su rutina en el proceso de escaneo con Space Spider: “Hago una primera pasada con el escáner, subiendo y bajando lentamente a medida que giro la plataforma que sostiene el fósil. Luego volteo el fósil y hago lo mismo con el otro lado. Sólo toma unos minutos. Con esto tengo suficiente superposición y cobertura de las superficies para que el fósil esté completo cuando haga el procesamiento.”

En Artec Studio, Martin utiliza el borrador para eliminar el fondo, después alinea los escaneos. A continuación, hace un registro global para registrar los escaneos, y luego realiza la eliminación de los valores atípicos y la fusión nítida. Nos cuenta por qué lo hace así: "Si estoy estudiando el cráneo homínido, quiero tener una buena visión de todos los rasgos característicos, por lo que fijé la precisión en 100 micrones. De esta manera veo todo lo que quiero, como las líneas temporales, las suturas craneales, la foramina, etc.”

Después de comprobar que el modelo es hermético, Martin aplica la textura, y luego exporta el escaneo como un archivo WRL. "Elijo WRL no sólo porque es un formato universal, sino también porque me gusta tener la textura y la geometría por separado. Cuando haces este tipo de trabajo, es interesante quitar para poder ver los rasgos característicos, ya que son los que usamos frecuentemente.”

Captura de pantalla de Artec Studio de DNH 155 con la textura puesta

En cuanto a lo importante que puede ser trabajar exclusivamente con la geometría del fósil, Martin dice, “Cuando los científicos ven los escaneos sin color, lo cual es fácil de hacer en Artec Studio, pueden ver mucho más, más incluso de lo que pueden ver en el fósil en persona.”

Captura de pantalla de Artec Studio del DNH 155 con la textura quitada

“Como ejemplo, les contaré lo que Space Spider reveló cuando escaneamos otro cráneo homínido hace unos años. Este espécimen tiene alrededor de dos millones de años, y tenía sólo 2 o 3 años cuando murió. Siendo tan pequeño, los huesos craneales son relativamente más blandos ya que no se han fusionado todavía, el cerebro crece rápidamente y presiona el interior del blando cráneo.”

“Ahora, no puedes verlo cuando examinas visualmente el propio cráneo, ni siquiera los científicos expertos pueden. Parece que hay golpes y arañazos. Pero en la superficie interna del cráneo, cuando estás en Artec Studio y eliminas la textura del escaneo de Spider, hay una impresionante huella, como la de una moderna tomografía, del cerebro de este homínido de 2 millones de años de edad.”

Martin continúa, “El cerebro dejó una clara huella en el cráneo. Se pueden ver detalles como los vasos meníngeos medios, las impresiones sulfúricas, etc. Podemos interpretar fácilmente qué áreas del cerebro están y no están presentes. Pensarlo por un momento. Ahora somos capaces de estudiar un cerebro de 2 millones de años gracias a las huellas de ese cerebro en el cráneo que escaneamos con Space Spider. Una vez que eliminas la textura del escaneo, puedes ver todo con un detalle espectacular.”

Los investigadores Angeline Leece y Jesse Martin con una copia impresa en 3D de DNH 155

El DNH 155 también se ha impreso en 3D a partir de los escaneos de Space Spider, con resultados sorprendentes. Incluso los investigadores experimentados se sorprenden al ver por primera vez las impresiones en 3D de este fósil, súper frágil, de 2 millones de años de antigüedad.

Martin nos dice lo importante que es el nivel de detalle que Space Spider capta cuando reconstruye el cráneo homínido. “Podemos imprimir en 3D fragmentos de cráneo que hemos escaneado, y encajan perfectamente con los del propio fósil. Todos los bordes coinciden al milímetro.”

Martin comenzó a usar Space Spider en 2015, después de haber sido iniciado en el mundo de los escáneres y el software Artec Studio por el Dr. Justin Adams, de la Universidad de Monash. Con sólo una hora de entrenamiento personal de Adams y otras 10 de entrenamiento por libre, Martin ya usaba el escáner perfectamente.

Eso no es porque sea una especie de genio del escaneo, sino que es un legado de la tecnología y de lo intuitiva que es. Lo mejor no es sólo su potencia y facilidad de uso, sino también su facilidad de transporte, lo que lo convierte en nuestra solución ideal para llevar al trabajo de campo", dice Martin.

Dibujo del DNH 155 a partir de escaneos y fotos de Space Spider, realizado por el investigador Giovanni Boschian

Ben Myers, Director de Digitalización 3D de la empresa Thinglab, con sede en Melbourne, habla sobre el uso en la arqueología de los escáneres 3D de Artec: "Estamos orgullosos de tener a Jesse Martin y a sus compañeros de la Universidad de La Trobe como clientes y de ofrecerles nuestro soporte lo mejor que podemos". Artec 3D ofrece a los científicos y a otros profesionales todas las soluciones de escaneo 3D: El escáner de escritorio Artec Micro, los dispositivos de mano Eva, Space Spider y Leo, e incluso el escáner de trípode Artec Ray. Hoy en día, todas las aplicaciones posibles de captura digital están al alcance de la mano.”

El escaneo contó con el apoyo de la Universidad de Johannesburgo, una beca de doctorado de la Universidad de La Trobe para el investigador Jesse Martin, y una subvención del proyecto Discovery del Consejo de Investigación Australiano (DP170100056) para el profesor Andy Herries.