DNH 155: Artec Space Spider aiuta a ricostruire un teschio di 2 milioni di anni fa

La sfida: gli archeologi che lavorano nella "Culla dell'umanità" del Sud Africa hanno utilizzato durante gli scavi uno scanner 3D portatile e la riparazione manuale per ricostruire in sicurezza un rarissimo teschio di ominide assemblando centinaia di frammenti portati alla luce.

La Soluzione: Artec Space Spider, Artec Studio

I risultati: Space Spider ha scansionato i frammenti cranici così come sono stati trovati, insieme al sedimento circostante, creando così una registrazione digitale precisa dell'orientamento e della posizione di ogni frammento. Ciò ha notevolmente facilitato il processo di ricostruzione manuale. Infine, dopo aver ricostruito il teschio, Space Spider è stato utilizzato per crearne modelli 3D ad alta risoluzione, che verranno stampati in 3D per l'insegnamento e la ricerca.

"Questa parte della storia deve essere raccontata", dice la voce all'altro capo della linea, quella di Jesse Martin, ricercatore dell'Università La Trobe e co-autore del progetto. "Perché senza il nostro scanner e software Artec 3D, la ricostruzione dell'ormai famoso teschio DNH 155 semplicemente non sarebbe stata possibile."

Martin insieme ai suoi co-ricercatori Dr. Angeline Leece e al Prof. Andy Herries e un team di altri specialisti, hanno sfruttato al meglio il loro Artec Space Spider. Lo scanner 3D portatile è stato utilizzato durante ogni fase dello scavo e della ricostruzione di questo straordinario esemplare di antico cugino umano che testimonia vividamente i cambiamenti microevolutivi all'interno della sua specie.

Il documento di ricerca completo è stato pubblicato su Nature Ecology & Evolution il 9 novembre 2020.

Quando la squadra è decollata dalla base di Melbourne, in Australia, verso il Sud Africa, il loro Space Spider portatile è stato trasportato con attenzione sull'aereo come un bagaglio a mano. Pochi giorni dopo, stava già catturando i primi frammenti di teschio DNH 155 che spuntavano da una zolla di terra in Sud Africa. E dopo centinaia di scansioni e mesi di estenuante lavoro sul campo e in laboratorio, Space Spider stava finalmente scansionando il teschio ricostruito, per creare immagini per il documento di ricerca stesso.

Drimolen Main Quarry, Sudafrica

Il DNH 155, un teschio quasi completo della specie Paranthropus robustus, uno dei nostri lontani parenti, è stato portato alla luce dalla Drimolen Main Quarry, appena a nord di Johannesburg, in Sud Africa, nel 2018 dalla studentessa Samantha Good. Mentre la maggior parte delle scoperte fossili consiste semplicemente in un dente, un osso o un pezzo di teschio, le centinaia di frammenti del DNH 155 sono stati trovati relativamente vicini l'uno all'altro. Ma questo non significa che abbiano semplicemente combaciato come i pezzi di un puzzle. Tutt’altro.

Sul campo, a Drimolen, con l'aiuto della co-direttrice Stephanie Baker, nel corso di diversi giorni, Leece ha tagliato con cura dal terreno grandi blocchi di sedimenti puntellati di fossili. Una volta pronti, Martin si è messo al lavoro sui blocchi, usando bastoni di legno e altri strumenti per estrarre accuratamente ogni frammento di teschio dal terreno. Per evitare che il terriccio si sgretolasse, era stato infuso con della colla apposita, per tenere tutto esattamente nello stesso punto in cui era stato per eoni.

Per fare in modo che la colla mollasse la presa sui fossili all'interno del sedimento, Martin bagnava ripetutamente la superficie del blocco con dell'acetone per ammorbidirla. Si è trattava poi di raccogliere delicatamente o spazzolare via un millimetro di terra alla volta, o persino aspirare via il terreno attraverso una cannuccia prima che la colla si asciugasse di nuovo. Non appena uno dei fossili veniva alla luce, Martin prendeva il suo Space Spider e catturava il frammento insieme all'intera superficie del sedimento.

Il DNH 155 rivede la luce dopo 20.000 secoli

Secondo le parole di Martin, "In questo momento, stiamo affrontando un bel dilemma: dobbiamo pulire il fossile e preservarlo ma, per farlo, dobbiamo anche smontarlo. Il che significa che devi distruggere quella posizione originale per ricomporre accuratamente il fossile." Ha continuato: "Quindi, scansionando in 3D ogni strato fossile con Space Spider, ottengo una registrazione esatta e posso in seguito rimettere i pezzi esattamente dov’erano".

E nel corso di oltre 300 ore Martin e Leece hanno fatto proprio questo. Con la raccolta di scansioni Space Spider aperta nel software Artec Studio al loro fianco, ogni volta che c'era una domanda su quale posizione e orientamento fosse stato trovato un determinato frammento, pochi semplici clic facevano apparire il suo doppio digitale, rivelando la risposta in pochi secondi.

Anche Space Spider è stato cruciale durante la ricostruzione del DNH 155 dai suoi oltre 250 frammenti. "Ogni fossile è stato scansionato numerose volte durante il processo di ricostruzione manuale, quando abbiamo ricostruito il fossile", ha detto Martin. “Questo ci fornisce una registrazione 3D esatta di ogni iterazione durante la ricostruzione. Quindi, per concentrarci sul DNH 155, lo abbiamo scansionato numerose volte con Space Spider sul campo e anche nel nostro laboratorio presso l'Università di Johannesburg."

Entrando nel dettaglio del processo, Martin ha aggiunto: "Poiché durante la ricostruzione eseguiamo la scansione dei pezzi più grandi individualmente, abbiamo anche tutti i dettagli interni del teschio. Se ci pensi, nessun metodo tradizionale potrebbe entrare nel teschio (tranne forse per la scansione TC) una volta che il teschio è stato riassemblato, ma data l'alta velocità dello Space Spider è facile per noi scansionare i singoli pezzi prima della ricostruzione finale."

Martin ha sottolineato quello che ritiene essere uno dei maggiori vantaggi dello Space Spider. “Entrambi i metodi tradizionali utilizzati dagli archeologi, la fotogrammetria e la misurazione manuale con calibri e righelli, comportano una manipolazione eccessiva dei fossili. Ciò significa che prima o poi i fossili verranno graffiati e scheggiati, se non peggio."

Artec Space Spider

Martin ha aggiunto: "Nelle collezioni di fossili che ho visitato, più di una volta ho assistito a ossa e denti graffiati e scheggiati da anni di misurazioni con calibri. Con uno scanner Artec, questo non accadrà mai, nemmeno una volta."

Ha spiegato inoltre: “La scansione 3D con il nostro Artec Space Spider non comporta alcun contatto con il fossile mentre lo si misura con precisione in pochi minuti. Posso fare 1000 scansioni di un teschio di ominide e non ci saranno danni, ma se i ricercatori fanno lo stesso con il metodo tradizionale dei calibri, che sono di metallo o di plastica, è destinato a subirne. Per non parlare del fatto che le varie misurazioni anatomiche con i calibri richiedono un posizionamento strano e insolito del fossile che, sebbene possibile, è pericoloso da far venire un infarto."

Martin ha descritto il suo consueto processo di scansione con Space Spider: "Eseguo un passaggio iniziale con lo scanner, sollevando e abbassando delicatamente lo scanner mentre ruoto la piattaforma che sorregge il fossile. Poi girerò il fossile e farò lo stesso per l'altro lato. Ci vogliono solo pochi minuti al massimo. Questo mi darà una sovrapposizione e una copertura sufficienti delle superfici affinché il fossile sia completo quando eseguo l'elaborazione. "

In Artec Studio Martin utilizza la gomma per rimuovere lo sfondo, dopodiché allinea le scansioni. Successivamente, esegue una registrazione globale per registrare le scansioni, quindi la rimozione dei valori anomali e la fusione nitida. Ha spiegato la sua scelta come segue: "Se sto esaminando un teschio di ominide, voglio poter vedere a tutti i tratti qualitativi, quindi ho impostato la precisione a 100 micron. Allora potrò vedere tutto quello che voglio, come le linee temporali, le suture craniche, i forami, ecc."

Dopo essersi assicurato che il modello sia a tenuta stagna, Martin applica la texture, quindi esporta la scansione come file WRL. “Ho scelto WRL non solo perché è un formato universale, ma anche perché mi piace avere la texture separata dalla geometria. Quando fai un lavoro di questo tipo, togliere quel colore è un grosso vantaggio, dato che permette di guardare i tratti qualitativi, che usiamo ripetutamente."

Schermata di Artec Studio del DNH 155 con texture applicata

Esprimendo l'importanza di lavorare direttamente con la geometria del fossile, Martin ha detto: "Quando i ricercatori visualizzano le scansioni senza il colore, cosa facile da fare in Artec Studio, possono vedere molto di più di quanto avessero immaginato, e sicuramente molto di più di quello che possono vedere guardando il fossile di persona."

Schermata di Artec Studio del DNH 155 con texture rimossa

Martin ha continuato: "Per darvi un esempio lampante, vi racconterò di ciò che Space Spider ha rivelato quando abbiamo scansionato un diverso teschio di ominide alcuni anni fa. Questo esemplare ha circa due milioni di anni e aveva solo 2 o 3 anni quando è morto. Quando sei giovane, le tue ossa craniche sono relativamente più morbide, perché non si sono ancora fuse, e il tuo cervello cresce rapidamente e preme contro l'interno del tuo teschio molle."

"Ora, non puoi vederlo quando stai esaminando visivamente il teschio stesso, nemmeno i ricercatori più esperti possono. Sembra che ci siano urti e graffi. Ma sulla superficie interna del teschio, quando sei in Artec Studio e rimuovi la texture dalla scansione fatta con Space Spider, vedrai una eccellente impronta del cervello dell'ominide, come guardare una TAC di 2 milioni di anni fa."

Martin ha continuato: "Il cervello ha lasciato un'impronta nettamente chiara nel teschio. Puoi vedere dettagli come i vasi meningei medi, le impressioni di solchi e le circonvoluzioni, ecc. Possiamo facilmente interpretare quali aree del cervello sono e non sono presenti. Pensateci per un attimo. Ora siamo in grado di studiare un cervello di 2 milioni di anni fa grazie alle impronte di quel cervello sul teschio che abbiamo scansionato con Space Spider. Una volta rimossa la texture dalla scansione, puoi vedere tutto nei minimi dettagli."

I ricercatori Angeline Leece e Jesse Martin con una copia stampata in 3D del DNH 155

Il DNH 155 è stato anche stampato in 3D a partire dalle scansioni fatte con Space Spider, con risultati a dir poco sbalorditivi. Persino i ricercatori esperti rimangono stupefatti quando assistono per la prima volta alle stampe 3D realistiche di questo fragile fossile di 2 milioni di anni fa.

Martin ha espresso l'importanza del livello di dettaglio che Space Spider acquisisce quando si ricostruisce il teschio degli ominidi. "Possiamo effettivamente stampare in 3D frammenti di teschio che abbiamo scansionato e combaceranno perfettamente con il fossile stesso. Tutte le suture, tutti i bordi si incastrano perfettamente."

Martin ha iniziato a utilizzare Space Spider nel 2015, dopo che il dottor Justin Adams della Monash University gli ha presentato lo scanner e il software Artec Studio. Dopo appena un'ora di istruzioni da parte di Adams, ci sono volute solo dieci ore di utilizzo perché Martin acquisisse l'abilità necessaria con lo scanner.

Non perché io sia una specie di genio della scansione, è piuttosto una testimonianza di quanto sia intuitiva questa tecnologia. La cosa migliore non è solo la sua potenza e facilità d'uso, ma anche la sua portabilità, che la rende la soluzione ideale da portare sempre sul campo con noi", ha affermato Martin.

Disegno del DNH 155 da scansioni e foto di Space Spider, del ricercatore Giovanni Boschian

Ben Myers, direttore di scansione 3D del rivenditore certificato Artec Gold Thinglab, di Melbourne, ha commentato l'uso degli scanner Artec 3D nell'archeologia dicendo: "Siamo orgogliosi di avere Jesse Martin e i suoi colleghi dell'Università La Trobe come nostro clienti e supportarli al meglio delle nostre possibilità. Riteniamo che Artec 3D offra ai ricercatori e ad altri professionisti il massimo nelle soluzioni di scansione 3D, dal desktop Artec Micro, ai palmari Eva, Space Spider e Leo, fino allo scanner su treppiede Artec Ray. Ogni possibile applicazione di acquisizione digitale è ora a portata di mano."

La scansione è stata sostenuta dall'Università di Johannesburg, da una borsa di studio per il dottorato di ricerca della La Trobe University al ricercatore Jesse Martin e da una sovvenzione del progetto Discovery dell'Australian Research Council (DP170100056) al professor Andy Herries.