Usare gli scanner Artec 3D per scoprire le dimensioni reali dell'ormai estinto tilacino

La sfida: acquisire digitalmente in 3D le misurazioni precise di centinaia di ossa di tilacino, teschi, scheletri, un tilacino intero conservato e campioni tassidermizzati nei musei di tutto il mondo, quindi utilizzare questi dati per determinare con precisione l'effettivo intervallo di massa corporea dell'animale estinto.

La soluzione : Artec Leo, Space Spider, Artec Studio, ZBrush

I risultati: partendo dalle scansioni 3D ad alta risoluzione di centinaia di campioni di tilacino, il team di ricerca ha misurato scrupolosamente ogni campione, quindi ha utilizzato le scansioni 3D di scheletri di tilacino per scolpire digitalmente un modello 3D realistico di un tilacino per la pesatura digitale. I ricercatori hanno infine determinato il corretto intervallo di massa corporea del tilacino: un peso significativamente diverso dalle stime più diffuse.

Milioni di anni di evoluzione avevano trasformato il tilacino in uno specialista della sopravvivenza. Essendo il più grande marsupiale carnivoro esistente, il tilacino si era ritagliato una sua nicchia ecologica unica. Ma poi sono arrivati i primi coloni.

Il ricercatore capo Douglass Rovinsky scansiona un teschio di tilacino con Artec Space Spider al Queen Victoria Museum & Art Gallery

Solo pochi decenni dopo, a partire dai primi anni '30 dell'Ottocento e proseguendo nel secolo successivo, migliaia di tilacini, spesso indicati come "tigri della Tasmania", furono deliberatamente sterminati da agricoltori e cacciatori per riscuotere taglie in denaro, finché non ne rimase solo uno.

Catturato, trascorse gli ultimi tre anni della sua vita rinchiuso in uno zoo. Poi, in una tarda mattinata d'inverno, Benjamin, l'ultimo tilacino della Tasmania, morì dopo essere rimasto chiuso fuori dal suo rifugio per la notte. Era il settembre del 1936. Solo 59 giorni prima la Tasmania aveva finalmente concesso lo status di protezione al tilacino.

Ricreazione digitale di un tilacino da parte del ricercatore e artista digitale Damir Martin

Per molti anni prima di quella mattina, giravano molte storie false ed esagerate sulla presunta malvagità del tilacino, compresi racconti sulla sua furia sovrumana, così come sulla sua capacità di resistere ai proiettili dei fucili e succhiare il sangue delle sue vittime fino all'ultima goccia.

Inoltre, mentre i tilacini erano ancora con noi e abitavano le isole della Tasmania, gli scienziati non hanno fatto in tempo a studiarli a fondo. Ancora oggi, a meno di un secolo dalla morte di Benjamin, nonostante un livello significativo di interesse per l'animale, ci sono dettagli che gli scienziati non conoscono.

Ricreazione digitale di una coppia di tilacini di Damir Martin

Non conosciamo dettagli come la dieta del tilacino, le sue abitudini di accoppiamento, il modo in cui cacciava, il modo in cui si muoveva, come interagiva con il suo habitat e persino quanto pesava, ossia la sua massa corporea. La massa corporea di un animale è uno degli aspetti più fondamentali da determinare se lo si vuole studiare e acquisirne una conoscenza scientifica. La massa permette di arrivare alla sua chimica e la sua fisiologia di base.

Quanta energia bruciava? Il suo corpo tratteneva il calore? Con quale velocità digeriva il cibo? E quanto spesso aveva bisogno di mangiare? Che tipo di animali cacciava? Prosperava nel suo habitat? Per conoscere queste informazioni con un alto livello di sicurezza, dobbiamo prima capire quanto pesava.

La scienza è sempre costruita sul fondamento di altre scienze, il che significa che se non possiamo raggiungere una comprensione accurata e veritiera del "Concetto A", non solo fraintenderemo ripetutamente il "Concetto A", ma non saremo in grado di dare un senso a tutto ciò che ha quel concetto come fondamento.

Ricreazione digitale di una coppia di tilacini di Damir Martin

Nel corso di decenni di ricerca sul tilacino, diversi scienziati hanno sottolineato la mancanza di una stima accurata della massa corporea dell'animale. Ma, in seguito, nulla non è stato fatto per correggere la situazione. C'era un'ipotesi spesso tirata in causa che i tilacini pesassero dai 25 ai 29 chilogrammi. Ma nessuno ne era certo.

Un altro importante aspetto del tilacino che doveva essere determinato era se violasse o meno quelli che vengono comunemente definiti "i costi del carnivoro." Si tratta di una soglia del budget energetico che definisce come i carnivori intorno ai 14 kg o più piccoli, per necessità, tendono a nutrirsi di prede molto più piccole di loro.

Mentre i carnivori intorno ai 21 kg o più grandi, come lupi e giaguari, di solito inseguono prede della stessa taglia o più grandi, i carnivori che rientrano nella gamma 14-21 kg, ad esempio volpi e gatti selvatici, di solito si concentrano su prede più piccole, ma occasionalmente possono abbattere anche animali più grandi.

Ricreazione digitale di una coppia di tilacini di Damir Martin

Senza un'accurata comprensione del vero spettro di massa corporea del tilacino, questo aspetto, insieme a diversi altri, non poteva essere determinato scientificamente con alcun grado di sicurezza.

Riconoscendo l'enorme necessità di questo elemento, il candidato al dottorato di ricerca della Monash University Douglass Rovinsky e un team di altri tre ricercatori, tra cui il dottor Justin W. Adams, hanno intrapreso un progetto che avrebbe cambiato la situazione per sempre.

I dettagli del progetto sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Proceedings of the Royal Society B, con il titolo “Il tilacino ha violato i costi del carnivoro? Massa corporea e dimorfismo sessuale di un iconico marsupiale australiano."

Rovinsky ha spiegato l'importanza del progetto: "Più sappiamo del tilacino, come tutti gli animali estinti, più possiamo capire come gli animali esistenti, quelli vivi in questo momento, risponderanno ai cambiamenti nell'ambiente, che stanno accadendo in un tasso sbalorditivo sia a livello globale che locale."

La loro ricerca li avrebbe portati in giro per il mondo, in musei e istituti, incluso lo Smithsonian e molti altri, dove avrebbero lavorato direttamente sui pochi resti di tilacino rimasti.

Rovinsky e il suo team hanno capito subito che fare affidamento esclusivamente al metodo tradizionale di stima della massa corporea di regressione lineare, effettuato misurando i denti dell'animale, era il più delle volte altamente impreciso quando si trattava di animali estinti.

Per farlo correttamente, deve esserci un parente vivente molto simile all'animale. Nel caso del tilacino, il parente vivente più vicino è il numbat,una piccola creatura pelosa che si nutre di termiti, dal peso di circa mezzo chilo. Fare confronti proporzionali tra i due animali è semplicemente fuori discussione.

Rovinsky e il suo team hanno deciso di combinare i risultati di più metodi di stima della massa corporea, tra cui: regressione lineare dei denti e delle ossa della parte superiore del braccio/della gamba, costruire un inviluppo convesso attorno a uno scheletro di tilacino scansionato in 3D, quindi scolpire rappresentazioni realistiche di un tilacino su una scansione digitale e, infine, pesare digitalmente sia gli esemplari tassidermizzati scansionati che i tilacini scolpiti (sugli stessi scheletri scansionati da cui erano stati ricavati gli inviluppi convessi).

In alto, a partire da sinistra: scansione dello scheletro di tilacino con Artec Leo e modello volumetrico di inviluppo convesso costruito sopra lo scheletro per la pesatura digitale
In basso: modelli di tilacino 3D volumetrici scolpiti sullo scheletro (con e senza texture) utilizzati per la pesatura digitale

Per eseguire correttamente questo immenso progetto, prima di eseguire lo spettro multifase delle analisi, centinaia di campioni di tilacino dovevano essere scansionati in 3D e trasformati in modelli 3D estremamente precisi, adatti a misurazioni dalla precisione indiscutibile.

Alcune delle sfide affrontate da Rovinsky e dal suo team erano dovute alla logistica: tutti gli esemplari erano distribuiti in 18 diversi musei e istituti, dal museo locale a Melbourne, vari musei in Australia e Tasmania, diversi oltre oceano negli Stati Uniti, e altri in Europa e nel Regno Unito.

Per acquisire digitalmente i campioni di tilacino per le analisi della massa corporea durante questi viaggi, Rovinsky e Adams hanno utilizzato uno scanner 3D portatile leggero e preciso al millimetro, Artec Space Spider. I due ricercatori hanno visitato separatamente questi musei e istituti e hanno scansionato centinaia di esemplari: ossa, teschi, scheletri interi, tilacini tassidermizzati, oltre all’intero corpo conservato di un tilacino.

Il dottor Justin W. Adams scansiona un esemplare conservato di tilacino femmina con Artec Space Spider presso il Museo svedese di storia naturale

Ancor prima dell'inizio del progetto, Rovinsky e Adams hanno deciso di non utilizzare i metodi di misurazione tradizionali come calibri e metri, ma neanche metodi più moderni come GDI e fotogrammetria. In ogni museo visitato il tempo era poco. Così come i rischi che potevano derivare da una manipolazione eccessiva dei campioni.

Quei metodi precedenti avrebbero richiesto molto tempo per essere eseguiti, per non parlare del fatto che il personale del museo sarebbe stato costretto a lavorare ore extra per supervisionare il processo. E i risultati sarebbero indubbiamente stati gli stessi di quelli ottenuti tramite la scansione 3D con Artec Space Spider.

I rischi di danneggiamento nell'utilizzo dei suddetti metodi derivavano dal dover raccogliere e riposizionare ripetutamente i campioni durante il processo di misurazione. Con Artec Space Spider l'acquisizione dei dati è accurata fino a 0,05 millimetri, cento volte più veloce e con poca o nessuna manipolazione richiesta.

Il dottor Justin W. Adams al Museo svedese di storia naturale, cattura in 3D submillimetrico con Artec Space Spider un esemplare di tilacino femmina conservato

In contrasto con le loro precedenti esperienze, il personale del museo era, secondo le parole di Rovinsky, "estatico" per i brevi tempi di scansione necessari, insieme al rischio estremamente basso per i campioni. Inoltre non erano distratti dal loro normale programma di lavoro per più di pochi minuti. Anche con questi tempi brevi, i curatori e il personale del museo, pieni di curiosità, restavano spesso ad osservare Space Spider in azione.

Restano davvero colpiti nel vedere quanto sia facile e veloce utilizzare Space Spider. Perché, rispetto ad altri ricercatori in visita che non utilizzano uno Space Spider, non abbiamo bisogno di molto per fare il nostro lavoro. Non abbiamo bisogno di un grande spazio; non abbiamo bisogno di illuminazione controllata; e non abbiamo bisogno di fargli perdere tempo", ha detto Rovinsky.

Riferendosi a quanto lo staff del museo possa essere sorpreso prima di vedere uno Space Spider in azione, Rovinsky ha detto: "Ci dicono, ecco la prima scatola di 12 esemplari, e noi rispondiamo loro, ok, avrò finito tra circa 2 ore, non è che ci portate già i prossimi 12? Insomma, sono abituati a processi che richiedono molto più tempo per raccogliere i dati."

Parlando di come Rovinsky cattura gli esemplari animali con Space Spider, ha perfezionato il suo processo nel tempo. Quando esegue la scansione di qualcosa di semplice, come l'osso della parte superiore della zampa di un lupo o di un tilacino, ha detto: "È relativamente facile e veloce e richiede solo pochi minuti per ogni campione. Di solito acquisisco tutto in 3 scansioni. Quindi, metto l'oggetto sulla mia piattaforma rotante portatile e lo scansiono in un paio di giri. Cerco di stare intorno ai 400 fotogrammi per passaggio di scansione. Poi capovolgo l'oggetto e ripeto il processo."

Il ricercatore capo Douglass Rovinsky scansiona un teschio di tilacino con Artec Space Spider al Queen Victoria Museum & Art Gallery

Quando si tratta di scansionare i teschi, alcuni sono abbastanza semplici, mentre altri sono più difficili da catturare nella loro interezza. “Soprattutto per i crani più grandi, che possono richiedere fino a 9 scansioni per ottenere ogni dettaglio. Le sfide maggiori sono gli incavi difficili da raggiungere, che spesso richiedono più scansioni per catturare completamente tutta la mascella, gli zigomi, le orbite, ecc.", Ha detto Rovinsky.

Per quanto riguarda l'elaborazione delle scansioni in Artec Studio, Rovinsky se ne prende sempre cura dopo aver lasciato il museo: "L'editing e la fusione li faccio in un secondo momento. Mi sono abituato a lavorare in questo modo, per essere il meno invasivo possibile per il personale del museo. Quando arrivo nel museo eseguo la scansione di tutto ciò di cui ho bisogno. Poi me ne vado. E tutta l'elaborazione delle scansioni la faccio dopo."

Ha continuato: "Mi basta portare lo Space Spider con me e nel corso di un pomeriggio scansiono anche 20 o 30 esemplari in modo impeccabile. Ciò significa che quando vado in viaggio per la raccolta dei dati, poche settimane dopo, torno a casa con letteralmente centinaia di scansioni di campioni incredibilmente nitide e accurate, con dettagli più che sufficienti per noi per fare il nostro lavoro."

Rovinsky ha spiegato il suo processo in Artec Studio: "Per prima cosa allineo manualmente le mie scansioni, quindi eseguo una registrazione globale con la sola geometria. Dopodiché, eseguo una sharp fusion e la risoluzione che scelgo dipende dalle dimensioni dell'oggetto. Di solito, per oggetti delle dimensioni della testa di un cane o più piccoli, li fondo a .1, e se sono più grandi, li fondo a .2."

Ha continuato: "Quindi eseguo uno o due passaggi dell'algoritmo di smoothing. Successivamente, eseguo una rapida semplificazione della mesh fino a 600.000 triangoli. In definitiva, anche 600.000 è un numero più che sufficiente in termini di conteggio dei triangoli. Certo, ci sono differenze di risoluzione tra un cranio di 600.000 triangoli e un teschio di 1,5 milioni di triangoli, ma se queste differenze siano significative o meno ai fini della paleontologia è un'altra storia."

Per una fase successiva del progetto, Rovinsky ha lavorato con il partner certificato Gold Thinglab a Melbourne per scansionare esemplari completi di tilacino nel Tasmanian Museum and Art Gallery utilizzando Artec Leo, uno scanner 3D wireless al 100% con touchscreen integrato. Queste scansioni hanno catturato molti degli scheletri di tilacino del museo e dei modelli imbalsamati. Gli scheletri digitali sono stati quindi utilizzati per costruire entrambi i modelli di inviluppo convesso e per servire come punti di partenza per le sculture digitali.

Ben Myers di Thinglab scansiona uno scheletro di tilacino con Artec Leo nel Museo e Galleria d'Arte della Tasmania

Nelle parole di Ben Myers, direttore della scansione 3D di Thinglab, "Amiamo Leo e lo abbiamo utilizzato per molti progetti, così come i nostri clienti. Ha molte caratteristiche da cui noi qui a Thinglab siamo rimasti colpiti. La tecnologia della luce VCSEL fa un'enorme differenza in termini di registrazione di superfici che in passato erano problematiche."

Modello 3D di uno scheletro di tilacino scansionato nel Museo e Galleria d'Arte della Tasmania con Artec Leo

Ha continuato: "Il tracciamento è davvero impressionante, ci permette di spostare oggetti, anche quelli con geometrie impegnative, e catturare ogni singola superficie con facilità. Ovviamente, essere wireless e avere un display integrato rende l'intero processo di scansione molto, molto più semplice ed efficiente."

Ben Myers di Thinglab scansiona uno scheletro di tilacino con Artec Leo nel Museo e Galleria d'Arte della Tasmania

Per una delle fasi finali del progetto, Rovinsky si è rivolto a Damir Martin, l'artista digitale membro del team. Martin, esperto nel rappresentare meticolosamente il mondo paleolitico, ha deciso di creare i modelli 3D più realistici di tilacino mai realizzati.

Va notato che anche prima di questo progetto, Martin aveva già studiato a fondo il tilacino e aveva creato numerose immagini mozzafiato della creatura nei suoi ambienti naturali in tutta la Tasmania.

Martin ha utilizzato le scansioni fatte con Leo degli scheletri e degli esemplari imbalsamati come base per il suo lavoro. Quindi, con la sua perfetta comprensione del tilacino, così come il contributo di altri, tra cui Rovinsky e Adams, passo dopo passo, ha scolpito digitalmente la muscolatura e l'aspetto esteriore di ogni creatura in ZBrush. Una volta che i modelli erano pronti, sono stati pesati digitalmente. I dati di queste misurazioni sono stati riportati insieme alle altre stime di massa corporea.

Modello 3D anatomicamente preciso di un tilacino, creato da Damir Martin

Martin ha commentato il suo lavoro: “Ho sempre avuto un profondo interesse per le forme di vita estinte. Il tilacino è un animale speciale, con un aspetto misterioso e unico. Sfortunatamente, la maggior parte dei restauri e delle ricostruzioni che sono stati fatti, da un punto di vista artistico, non sono riusciti a catturare le sottili sfumature dell'animale vivente."

“Ma in realtà sappiamo che aspetto aveva il tilacino, grazie ad alcune foto e filmati rari sopravvissuti. Quindi, la vera sfida del progetto è stata un fattore molto interessante per me."

Con tutti i dati dei calcoli di stima della massa corporea (93 tilacini e 207 scansioni) messi insieme, Rovinsky e il suo team hanno determinato che il peso effettivo del tilacino era di circa 19 kg per i maschi e 14 kg per le femmine. Ciò significa che i maschi erano circa il 30% più grandi delle femmine.

In confronto alle ipotesi decennali sulle stime della massa corporea del tilacino, le stime della massa corporea di Rovinsky e dei suoi ricercatori per i tilacini di sesso misto sono circa il 55% delle prime conclusioni. Di conseguenza, era ovvio che il tilacino non violava "i costi del carnivoro", poiché era nella fascia media dei carnivori, saldamente entro la gamma di 14-21 kg, che di solito prevede una dieta di creature più piccole rispetto all'animale, e solo occasionalmente di prede più grandi.

Questo progetto di successo è solo un aspetto di uno spettro più ampio di ricerca sulla biologia evolutiva del tilacino, compreso questo studio sulla massa corporea e indagini più dettagliate sulla loro dieta, locomozione e biologia generale utilizzando campioni di dati 3D raccolti in tutto il mondo.

Adams ha condiviso le sue opinioni su quanto sia cruciale la scansione 3D per questo lavoro: "I paleontologi stanno finalmente iniziando a rendersi conto che i metodi tridimensionali creano una stima della massa corporea molto più accurata. Funzionano meglio, perché anche se stai prendendo misure digitalmente nel computer, stai misurando la massa della forma dell'oggetto, invece di provare a tracciare due variabili su una linea di regressione."

"La tecnologia 3D sta rivoluzionando la nostra comprensione della stima delle dimensioni degli animali estinti. Penso che, andando avanti, vedremo queste tecnologie utilizzate per questi scopi molto più spesso. E se consideriamo la facilità e la velocità con cui Artec Space Spider o Leo consentono di raccogliere questo tipo di dati precisi, non possiamo sottovalutarli."

Rovinsky ha commentato il ruolo fondamentale svolto dai dati: "La difficoltà deriva dal fatto che è assolutamente necessaria una certa quantità di dati per generare una rappresentazione 3D conclusiva dell'organismo, che la maggior parte dei paleontologi semplicemente non ha".

“Non avrei potuto raggiungere questo grado di precisione se ci fosse stato solo un numero limitato di campioni da misurare e se non avessi avuto accesso a scheletri completi su cui lavorare. La maggior parte dei paleontologi non ha nemmeno un osso completo su cui lavorare, figuriamoci uno scheletro completo. Detto questo, gli scanner Artec ci hanno facilitato la raccolta delle enormi quantità di dati sui campioni di cui avevamo bisogno."

Rovinsky ha approfondito il significato del progetto: “Più possiamo avvicinare la nostra comprensione del tilacino alla sua realtà, alla realtà del fantastico animale che era, tanto meglio. Perché alla fine, tutti i dati, tutte le osservazioni, tutta la nostra comprensione, tutto è di seconda mano nella migliore delle ipotesi, dal momento che sfortunatamente non abbiamo più il tilacino con noi."

Ha continuato: "Tutte le nostre ricerche e i dati vengono filtrati attraverso le nostre osservazioni, le nostre interpretazioni, le nostre misurazioni, ecc. Ciò rende ancora più cruciale per noi conoscere qualcosa di fondamentale come la massa corporea. Perché questo aspetto apparentemente secondario dell’animale influisce su innumerevoli altre ricerche che dipendono dalla nostra comprensione di questo fattore."