Artec Eva scanne les os d’un Homo naledi âgé de 250 000 ans dans une cave souterraine obscure

Résumé : Des archéologues ont été appelés en renfort pour trouver un moyen de numériser les os sans les abîmer ou compromettre le site.

L’objectif : Scanner précisément et numériser en 3D les os fossilisés d’un hominine (ancêtre de l’homme) dans une grotte difficile à traverser, en Afrique.

Outil utilisé : Artec Eva

Le plus gros gisement de fossiles d'Homo naledi, un ancêtre humain auparavant inconnu des scientifiques, a été scanné en 3D avec l'Artec Eva.

Cette histoire a débuté avec un voyage d'agrément de spéléologie dans les systèmes de grottes de Rising Star au nord-ouest de Johannesburg en octobre 2013. Deux spéléologues, Rich Hunter et Steven Tucker, ont décidé d'explorer un section inconnue de la grotte. En entrant dans ce qui est maintenant appelé la Chute, Hunter et Tucker sont descendus de 12 mètres vers une chambre inexplorée de la grotte, qui a ensuite été nommée la Chambre Dinaledi, Dinaledi étant le mot Lesotho pour les étoiles, donc la Chambre des Étoiles. Là, les deux spéléologues ont découvert un trésor d'os fossilisés, qu'ils ont photographiés, et ont ensuite montré les photos au Professeur Lee Berger à l'Université de Witwatersrand (Wits University).

La Chambre Dinaledi s'est avérée contenir 15 squelettes fossiles d'une espèce éteinte d'hominidés (ancêtres humains).

L'instinct de Berger lui disait qu'il était tombé sur quelque chose qui changerait pour toujours la compréhension de « où nous venons » et il avait raison – la Chambre Dinaledi s'est avérée contenir 15 squelettes fossiles d'une espèce éteinte d'hominidés (ancêtres humains), nommés provisoirement Homo naledi. La découverte a offert la preuve de leur comportement rituel complexe, comme du dépôt des morts dans une chambre séparée, ce qui a longtemps été considéré comme un comportement humain.

Aussitôt que les photos du site ont été montrées à Berger, il a décidé de monter une expédition et a lancé un appel sur les réseaux sociaux :

Berger a décidé de monter une expédition et a lancé un appel sur les réseaux sociaux.

« Chers collègues – j'ai besoin de l'aide de toute la communauté et que vous contactiez autant de groupes professionnels liés que possible. Nous avons besoin de peut-être trois ou quatre personnes ayant des talents archéologiques/paléontologiques et de fouille pour un projet de court terme qui pourrait démarrer aussi tôt que le 1er novembre 2013 et durer le mois si toute la partie logistique se déroule comme prévu. La seule condition est la suivante - les candidats doivent être minces et si possible petits. Ils ne doivent pas être claustrophobes, être en bonne condition physique, et ils doivent avoir de l'expérience en spéléologie. Une expérience en escalade serait un plus. Ils doivent vouloir travailler dans des espaces exigus, avoir une bonne attitude et avoir l'esprit d'équipe. Étant donné la nature hautement spécialisée et peut-être rare de ce que je cherche, je serai prêt à considérer des étudiants en thèse sans expérience ou des étudiants de Master avec beaucoup de pratique, même si une expérience importante est un plus (les docteurs et scientifiques aguerris sont les bienvenus). Pas de limite d'âge ici non plus. Je ne pense pas que nous ayons beaucoup d'argent disponible pour un salaire – mais nous couvrirons les vols, et le logement (bien que ce dernier consistera en grande partie de gîte sur le terrain), la nourriture et bien sûr une collaboration ultérieure sont garanties. Toute personne intéressée peut me contacter directement. Mes délais pour cela sont extrêmement serrés donc je remercie toute personne pouvant transmettre l'information parmi les groupes professionnels. Lee »

Les spéléologues et les scientifiques ont dû passer par de petits trous, monter le Dos du Dragon (une falaise de 15 mètres à l'intérieur de la caverne) et descendre ensuite la Chute de 12 mètres pour rencontrer un espace de 18cm.

Une expédition initiale de trois semaines a eu lieu en novembre 2013 pour récupérer les restes d'hominidés du fond de la Caverne Rising Star. Accéder aux fossiles n'a pas été une tâche simple, les spéléologues et les scientifiques ont dû passer par de petits trous, monter le Dos du Dragon (une falaise de 15 mètres à l'intérieur de la caverne) et descendre ensuite la Chute de 12 mètres pour rencontrer un espace de 18cm.

La Chambre Dinaledi n'est accessible que par des individus relativement minces parce que la zone de la caverne menant vers la chambre est extrêmement confinée. Six paléoanthropologues, archéologues et anthropologues expérimentés ont été choisis pour entreprendre les excavations. Après la première expédition, il a été évident que les restes des hominidés trouvés dans la chambre étaient en fait les restes d'au moins 15 individus, et une seconde expédition de deux semaines a eu lieu en mars 2014 pour récupérer ce qui restait dans la caverne.

A cause des contraintes de la Caverne Rising Star et de la Chambre Dinaledi, l'utilisation des équipements traditionnels d'enregistrement d'une excavation a été rendue impossible, et une nouvelle approche de collecte des données spatiales était nécessaire. Une des personnes qui a répondu à l'appel de Berger était Ashley Kruger, qui terminait son Master à l'Institut d’Étude de l’Évolution de l'Université de Wits et cherchait un projet de Doctorat en Paléoanthropologie. Kruger s'est joint au projet en octobre 2013, juste avant que les premières fouilles ne démarrent à la Caverne Rising Start.

L'enregistrement de la position des fossiles a été effectué avec l'Artec Eva.

« Avec le Professeur Berger, nous avons décidé que cette découverte serait une opportunité parfaite d'utiliser l'imagerie 3D durant les fouilles sur le site, ce qui formerait une partie de mon Doctorat, » déclare Kruger, « Durant les fouilles de tout site paléontologique, il est essentiel d'enregistrer la position des éléments récupérés sur le site pour aider les chercheurs à reconstituer le site plus tard et à comprendre le contexte des matériaux fossiles récupérés. »

L'enregistrement de la position des fossiles, habituellement réalisé avec un système de quadrillage, ou de station totale, a été effectué avec l'Artec Eva. Kruger a récupéré les données de scan des personnes réalisant les fouilles, rendu et fusionné les données, et a ensuite compilé les différentes couches des fouilles en 3D pour assembler tous les éléments dans un contexte spatial plus large.

Cette image est faite de scans pris durant quatre étapes différentes du processus de fouille. Les couches marrons à la base montrent les limites du puit de fouille, alors que les couches bleues et orange montrent les fossiles étant extraits deux jours différents de mars 2014. Les éléments articulés de la main fossilisée et une partie de membre inférieur peuvent clairement être vus. Cette image est parue pour la première fois dans l'article « Une nouvelle étoile s'élève : Biologie et comportement mortuaire de l'Homo naledi. S. Afr. j. sci. [en ligne] 2015, vol. 111, n. 9-10, pp. 01-04. ISSN 1996-7489.

L'Artec Eva a été utilisé pour scanner in situ (encore dans les sédiments) la zone de fouille qui incluait les fossiles. « Balayer » la zone désirée avec le scanner a produit une visualisation en temps réel de la zone sur un ordinateur portable d'accompagnement. La couche avec les fossiles (jamais plus épaisse que 5cm) a ensuite été enlevée et la surface découverte a été scannée avec Eva.

La zone de fouilles dans la Chambre Dinaledi du système Rising Star courant mars 2014. L'image montre un certain nombre de restes articulés et inarticulés qui ont été retrouvés après que ce scan ait été terminé.

Documenter les fouilles dans la Chambre Dinaledi avec Eva avait deux buts. D'abord, les données spatiales sur la localisation, l'orientation (axiale et de surface) de chaque os ont été collectées. Ensuite, les données enregistrées durant le processus ont été transportées vers la surface après chaque scan, pour permettre aux scientifiques à la surface d'offrir des conseils et des avis aux fouilleurs concernant les fouilles et la récupération.

Un gros plan de la zone d'excavation dans la Chambre Dinaledi, montrant les nombreux restes de la couche de fouille présentée. Un maxillaire (centre) est clairement visible.

« J'ai été émerveillé par la simplicité et la précision que cette technologie de haut niveau pouvait atteindre dans des conditions moins qu'idéales, » déclare Ashley Kruger, paléontologiste à l'Université de Wits. « L'équipe a appris comment utiliser les scanners en moins d'une heure. L'utilisation de cette technologie a significativement accéléré la totalité du processus de récupération, réduisant certaines tâches qui auraient pris des heures à quelques minutes. Lors de tels projets, les os doivent être documentés par eux-même ainsi qu'en relation avec le site de fouilles. Normalement, ceci implique de noter manuellement l'emplacement des fossiles et de le croiser avec une grille établie. La technologie Artec a pu considérablement rationaliser ce processus, malgré les conditions éprouvantes et limitantes. »

L'équipe de surface regarde pendant que des scans 3D sont rendus durant les fouilles. Les scans 3D étaient utilisés pour documenter les fouilles alors que les scientifiques travaillaient.

Le post-traitement a été réalisé dans Artec Studio 9 (et plus récemment dans Artec Studio 10 Professional). Chaque « balayage » comprenait un nombre d'images séparées compilées en une seule couche. Chaque scan était alors enregistré pour acquérir les points 3D triangulés. Une fois l'enregistrement terminé, les couches séparées étaient alignées manuellement, en utilisant un minimum de trois points de référence. Ces points de référence étaient une combinaison de marqueurs de fouille fixes dans la Chambre Dinaledi et d'attributs physiques de la zone de fouille, qui étaient capturés à chaque scan pour offrir un enregistrement optimal.

Un des fouilleurs, K. Lindsay Hunter, surveille un scan 3D alors qu'un autre fouilleur scanne la zone d'excavation. (Photographie par Elen Feuerriegel)

Une fois l'alignement terminé, l’enregistrement global permettait de fusionner précisément les données de scan. Ceci produisait une représentation en maillage 3D de la zone scannée. Le maillage 3D était ensuite recouvert avec un carte de texture photographique, qui était capturée par Eva en même temps que le scan. Après avoir compilé chaque scan 3D, la surface était alors exportée et assemblée pour créer une surface composite à partir des multiples scans. Ceci permettait de visualiser les zones de fouilles et la chambre en environnement 3D, tout au long de la progression des fouilles.

Deux fouilleurs scannent la zone d'excavation de la Chambre Dinaledi avec Artec Eva, avant d'enlever les fossiles.

Les fossiles documentés avec Eva ont été retirés du site et transportés à l'Université Wits, où ils ont été décrits. C'est à présent la plus grande découverte de fossiles d'hominidés à avoir été faite sur le continent africain, avec 1550 éléments retrouvés comptés. Le projet qui impliquait quelques 40 scientifiques a produit deux articles scientifiques et un documentaire spécial NOVA/National Geographic « l'Aube de l’Humanité ».