Artec 3D 스캐너를 사용하여 현재 멸종된 태즈메이니아 늑대(thylacine)의 실제 크기 발견

과제: 전 세계 박물관에 있는 수백 개의 태즈메이니아 늑대의 뼈, 두개골, 골격, 보존된 전신 태즈메이니아 늑대 및 박제된 표본의 정밀한 측정치를 3D로 디지털 방식으로 캡처한 다음, 이 데이터를 사용하여 이 멸종된 동물의 실제 체질량 범위를 정확하게 결정하기

솔루션: Artec Space Spider, Artec Leo, Artec Studio 및 ZBrush

결과: 연구팀은 수백 개의 태즈메이니아 늑대 표본에 대한 고해상도 3D 스캔을 통해 각 표본을 정확하게 측정한 다음 전체 태즈메이니아 늑대 골격의 3D 스캔을 사용하여 실제와 같은 태즈메이니아 늑대 3D 모형을 디지털 계량을 위해 디지털로 조각했습니다. 연구원들은 마침내 태즈메이니아 늑대의 정확한 체질량 범위를 결정했습니다. 이는 일반적인 추정치와는 상당히 다른 체중입니다.

수백만 년 동안 진화하며 태즈메이니아 늑대는 생존 전문가로 변모했습니다. 현존하는 가장 큰 육식성 유대목 동물인 태즈메이니아 늑대는 자신의 고유한 생태적 틈새를 개척했습니다. 그러나 그때 첫 번째 정착민들이 나타났습니다.

퀸 빅토리아 박물관 및 미술관에서 Artec Space Spider로 태즈메이니아 늑대 두개골을 스캔하는 수석 연구원 Douglass Rovinsky

불과 수십 년 후, 1830년대 초부터 다음 세기까지 계속되는 수천 개의 태즈메이니아 늑대가 광범위한 현상금 계획을 통해 농부와 사냥꾼에 의해 의도적으로 멸종되었습니다. 한 마리만 남았었습니다.

이 태즈메이니아 늑대는 야생에서 포획되어 생애 마지막 3년을 동물원에 갇혀 보냈습니다. 그 후 한 늦겨울 아침, 마지막으로 알려진 태즈메이니아 늑대인 Benjamin이 밤새 보호소에 갇혀있다 숨졌습니다. 1936년 9월이었습니다. 불과 59일 전에 태즈메이니아주는 마침내 이 태즈메이니아 늑대에 보호 대상 자격을 부여했습니다.

연구원이자 디지털 아티스트인 Damir Martin의 태즈메이니아 늑대 디지털 재현

그날 아침까지 수년 동안, 용맹한 전사 같은 힘을 가지고 있고, 산탄총의 폭발을 견딜 수 있고, 심지어 희생자의 피를 완전히 빨아먹는다는 등의 이야기를 포함한 태즈메이니아 늑대의 소위 사악함에 대한 모든 종류의 거짓되고 과장된 이야기가 생기고 산불처럼 퍼졌습니다.

동시에, 태즈메이니아 늑대들이 아직 인간과 함께 살아 있으면서 태즈메이니아의 풍경을 배회할 때 과학자들은 그들을 실제로 깊이 연구하지 못했습니다. Benjamin이 세상을 떠난 지 한 세기가 되지 않은 오늘날에도 동물에 대한 상당한 관심에도 불구하고 과학자들이 알지 못하는 사실과 내용이 있습니다.

Damir Martin의 태즈메이니아 늑대 쌍 디지털 재현

그것은 태즈메이니아 늑대의 식습관, 짝짓기 습관, 사냥 방식, 이동 방식, 풍경과 상호 작용하는 방식, 태즈메이니아 늑대의 무게, 체질량 등에 관한 자세한 내용입니다. 동물의 체질량은 그 동물을 연구하고 과학적으로 이해하고자 하는지를 결정하는 가장 기본적인 측면 중 하나입니다. 이것은 기본적인 화학과 생리학으로 귀결됩니다.

그 동물은 얼마나 많은 에너지를 태웠는가? 열은 잘 유지했는가? 음식을 얼마나 빨리 소화했는가? 그리고 얼마나 자주 먹어야 했는가? 어떤 종류의 동물을 사냥했는가? 주어진 환경에서 얼마나 잘 번성했는가? 자신감을 갖고 이러한 것들을 알기 위해서는 먼저 태즈메이니아 늑대의 무게를 알아야 합니다.

과학은 항상 다른 과학의 기반 위에 구축됩니다. 이는 "개념 A"를 정확하고 진실적으로 이해하지 못하면 "개념 A"를 반복해서 오해할 뿐만 아니라 기초로서의 그 개념과 관련된 모든 것을 이해할 수 없을 것입니다.

Damir Martin의 태즈메이니아 늑대 쌍 디지털 재현

수십 년간의 태즈메이니아 늑대 연구를 통해 여러 과학자들은 이 동물의 정확한 체질량 추정치가 부족하다고 언급했습니다. 그러나 그 이후, 이 상황을 바로잡기 위해 한 일은 전혀 없었습니다. 태즈메이니아 늑대의 체중은 약 25~29kg이라는 가정이 자주 인용되었습니다. 그러니 아무도 확신하지 못했습니다.

확인해야 할 태즈메이니아 늑대의 또 다른 심각한 측면은 "육식 비용”이라고 칭하던 것을 위반했는지 여부였습니다. 이것은 본질적으로 약 14kg 이하의 육식 동물이 부득이 자신보다 훨씬 작은 먹이를 먹는 경향을 정의하는 에너지 수지 임계 값입니다.

늑대와 재규어와 같은 약 21kg 이상의 육식 동물은 일반적으로 같은 크기 이상의 먹이를 뒤쫓습니다. 예를 들어 여우와 살쾡이와 같이 14~21kg 범위에 속하는 육식 동물의 경우 일반적으로 작은 먹이에 초점을 맞추지만 때로는 더 큰 동물도 쓰러뜨릴 수 있습니다.

Damir Martin의 태즈메이니아 늑대 디지털 재현

태즈메이니아 늑대의 실제 체질량 범위를 정확히 이해하지 못하면 이 측면은 다른 몇몇 측면과 함께 과학적으로 어느 정도 확신을 가지고 결정할 수 없습니다.

이에 대한 막대한 필요성을 인식한 Monash University의 박사 과정 학생인 Douglass Rovinsky와 Justin W. Adams 박사 외 다른 세 명의 연구원으로 구성된 팀은 이를 바꾸기 위한 프로젝트에 착수했습니다.

프로젝트의 세부 내용은 “태즈메이니아 늑대가 육식 비용을 위반했는가? 상징적인 호주 유대류의 체질량과 성적 이형”이라는 제목으로 영국 왕립 학회보 B(Proceedings of the Royal Society B)의 과학 저널에 게재되었습니다.

Rovinsky는 “모든 멸종된 동물과 마찬가지로 태즈메이니아 늑대에 대해 더 많이 알수록 현재 살아있는 현존하는 동물이 전 세계적으로나 지역적으로도 믿기 어려운 속도로 일어나고 있는 환경 변화에 어떻게 반응하는지 더 많이 이해할 수 있습니다.”라고 프로젝트의 중요성을 설명했습니다.

그들은 연구를 통해 스미스소니언(Smithsonian)과 세계 곳곳의 다른 많은 학회를 포함한 박물관과 기관에서 현존하는 소수의 태즈메이니아 늑대 표본으로 직접 작업하는 세계로 가게 될 것입니다.

Rovinsky와 그의 팀은 동물의 치아를 측정하여 만든 선형 회귀의 전통적인 체질량 추정 방법에만 의존하는 것은 멸종된 동물의 경우 종종 매우 부정확하다는 것을 일찍이 알았습니다.

이것을 제대로 하려면 해당 동물과 매우 유사한 살아있는 동족이 있어야 합니다. 태즈메이니아 늑대의 경우, 가장 가까운 살아있는 동족은 흰개미를 먹는 체중 0.5kg의 털로 덮인 작은 동물인 주머니개미핥기입니다. 두 동물을 비례적으로 비교하는 것은 단순히 말이 안 됩니다.

Rovinsky와 그의 팀은 상완/허벅지 뼈와 치아의 선형 회귀, 3D 스캔된 태즈메이니아 늑대 골격 주위에 볼록 껍질 구축, 그런 다음 디지털 스캔을 통해 실물과 같은 조각상의 조각, 마지막으로 (볼록 껍질이 만들어진 같은 스캔된 골격에) 조각된 태즈메이니아 늑대와 스캔된 박제를 디지털 방식으로 체중 측정 등 여러 체질량 추정 방법의 결과를 결합하기로 했습니다.

상단 왼쪽부터: Artec Leo를 사용한 태즈메이니아 늑대 스캔 및 디지털 체중 측정을 위해 골격 위에 구성된 볼록 껍질 체적 모형
하단
: 디지털 체중 측정에 사용된 (질감이 있고 없는) 조각된 체적 3D 태즈메이니아 늑대 모형

이 방대한 프로젝트를 제대로 수행하려면 다단계 분석 스펙트럼을 수행하기 전에 수백 개의 태즈메이니아 늑대 표본을 3D 스캔하고 의심할 나위 없이 정확한 측정에 적합한 매우 정밀한 3D 모형으로 변환해야 합니다.

Rovinsky와 그의 팀이 직면한 문제 중 일부는 물류로 인한 것이었습니다. 모든 표본은 멜버른의 현지 박물관, 호주 및 태즈메이니아의 다양한 박물관들, 바다 건너 미국의 여러 박물관 그리고 유럽과 영국 전역에 걸쳐 있는 다른 박물관들 등 18개의 박물관과 연구소에 분산되어 있었습니다.

이러한 여행 중에 체질량 분석을 위해 태즈메이니아 늑대 표본을 디지털 방식으로 캡처하기 위해 Rovinsky와 Adams는 가벼운 정밀도 1mm 이하의 휴대용 3D 스캐너인 Artec Space Spider를 사용했습니다. 이 두 연구원은 별도로 이들 박물관과 연구소를 방문하여 수백 개의 표본 즉, 보존된 전신 태즈메이니아 늑대 외에 뼈, 두개골, 전체 골격, 박제된 태즈메이니아 늑대를 스캔했습니다.

스웨덴 자연사 박물관에서 Artec Space Spider로 보존된 암컷 태즈메이니아 늑대 표본을 스캔하는 Justin W. Adams 박사

프로젝트가 시작되기 전부터 Rovinsky와 Adams는 GDI 및 사진 측량과 같은 더욱더 현대적인 방법은 물론 캘리퍼와 측정 도구를 사용한 전통적인 측정 방법을 사용하지 않기로 했습니다. 각 박물관을 방문할 때마다 주어진 시간이 많지 않았습니다. 과도한 취급으로 인해 표본에 불필요한 위험도 있었습니다.

이러한 전에 사용하던 방법은 감독하면서 매일 몇 시간 동안 박물관 직원들을 꼼짝 못 하게 하는 말할 것도 없고 이행하는 데 오랜 시간이 걸렸습니다. 그리고 그 결과는 아마도 Artec Space Spider를 사용한 3D 스캐닝을 통해 얻은 결과와 일치하지 않을 것이며 하물며 능가하지는 않을 것입니다.

손상의 위험은 이전의 방법을 사용하는 동안 측정 과장에서 표본을 반복해서 집어 들고 위치를 바꿔야 하기 때문에 발생합니다. Artec Space Spider를 사용하면 데이터 캡처는 거의 또는 전혀 처리할 필요 없이 이러한 다른 방법보다 수십 배 빠른 최대 0.05mm까지 정확합니다.

보존된 암컷 태즈메이니아 늑대 표본을 Artec Space Spider로 1mm 이하 3D로 캡처하는 스웨덴 자연사 박물관의 Justin W. Adams 박사

이전 경험과 달리 박물관 직원들은 스캐닝에 소요되는 짧은 시간과 함께 표본에 미치는 극도로 낮은 위험으로 인해 “열광”했으며, 이 두 가지 요소 모두 그들이 몇 분 이상 정상적인 작업 일정에서 산만하지 않았음을 의미합니다. 그렇기는 하지만 일반적으로 호기심으로 가득 찬 박물관 큐레이터들과 직원들 종종 Space Spider가 작동하는 것을 관찰하기 위해 계속 그대로 있었습니다.

Rovinsky는 “그들은 Space Spider가 빠르고 쉽게 작동하는 것을 보고 감명을 받았습니다. Space Spider를 사용하지 않는 다른 방문 연구원에 비해 우리가 작업을 수행하는 데 많은 것이 필요하지 않기 때문입니다. 큰 공간이 필요하지 않습니다. 제어된 조명이 필요하지 않습니다. 그들의 시간을 많이 빼앗지 않아도 됩니다.”라고 말했습니다.

Rovinsky는 Space Spider가 작동하는 모습을 보기 전에 박물관 직원들이 얼마나 놀랄 수 있는지 언급하면서, 그들은 우리에게 ‘여기에 12개의 표본 상자가 있습니다.’라고 말할 것이고, 우리는 ‘이것은 2시간 정도면 작업을 끝낼 수 있습니다. 다음 12개 표본은 언제 받을 수 있나요?’라고 대답할 것입니다. 그들은 시간을 훨씬 더 걸려 데이터를 수집하는 데 익숙하다고 할 수 있습니다.”라고 말했습니다.

Rovinsky는 Space Spider로 동물 표본을 캡처하는 방법과 관련하여 시간이 지남에 따라 프로세스를 개선했습니다. 그는 늑대나 태즈메이니아 늑대의 상완 뼈와 같은 단순한 것을 스캔할 때 “상대적으로 쉽고 빠르며 각 표본을 스캔하는 데 몇 분밖에 걸리지 않습니다. 저는 보통 3번의 스캔으로 모든 것을 캡처합니다. 휴대용 소형 턴테이블에 물체를 올려놓고 몇 번 회전시켜 스캔합니다. 스캔 단계당 400개 정도의 프레임을 목표로 합니다. 그런 다음 물건을 뒤집고 다시 합니다.”라고 말했습니다.

퀸 빅토리아 박물관 및 미술관에서 Artec Space Spider로 태즈메이니아 늑대 두개골을 스캔하는 수석 연구원 Douglass Rovinsky

두개골을 스캔할 때 몇몇 두개골은 매우 간단하지만 다른 골격들은 전체를 캡처하기가 어렵습니다. “특히 큰 두개골은 모든 것을 얻기 위해 최대 9번의 스캔이 필요합니다. 이러한 두개골의 문제는 도달하기 어려운 언더컷으로, 모든 턱뼈, 광대뼈, 궤도 등을 완전히 캡처하기 위해 여러 번의 스캔이 필요한 경우가 많습니다.”라고 Rovinsky는 말했습니다.

Artec Studio에서 스캔을 처리하는 것과 관련하여 Rovinsky는 박물관을 떠난 후 항상 이 작업을 처리합니다. 그는 “모든 편집 및 융합은 추후에 수행하는 작업입니다. 저는 박물관 직원들에게 가능한 한 최소한으로 주제넘게 나서기 위해 그렇게 하는 데 익숙해졌습니다. 저는 컬렉션에 도달하면 필요한 모든 것을 스캔합니다. 그리고 떠납니다. 그리고 모든 스캔 처리는 사후에 제가 합니다.”라고 말했습니다.

그는 이어서 “Space Spider를 가지고 들어가 오후에 20~30개의 표본을 완전히 스캔했습니다. 이는 몇 주 후 데이터 컬렉션 여행을 떠날 때 말 그대로 작업을 수행하기에 충분한 디테일이 있는 믿을 수 없을 정도로 선명하고 정확한 수백 장의 표본 스캔을 가지고 집으로 돌아 온다는 것을 의미합니다.라고 말했습니다.

Rovinsky는 Artec Studio에서의 처리에 대해 “먼저 스캔을 수동으로 정렬한 다음 형상만으로 전역 정합을 합니다. 그 후 선명하게 융합하며, 선택하는 해상도는 물체의 크기에 따라 달라집니다. 기본적으로 개의 머리 크기 이하의 물체는 0.1에서 융합하고, 그보다 크면 일반적으로 0.2에서 융합합니다.”라고 설명했습니다.

그는 계속해서 “그런 다음 평활 알고리즘을 한두 번 실행했습니다. 그 다음에 600,000개의 삼각형까지 빠른 메시 단순화를 수행합니다. 궁극적으로 600,000개의 삼각형도 삼각형 수 측면에서는 충분합니다. 물론 600,000개의 삼각형 두개골과 1,500,000개의 삼각형 두개골 사이에는 해상도 차이가 있지만 이러한 차이가 고생물학 목적에 의미가 있는지는 또 다른 이야기입니다.”라고 말했습니다.

프로젝트의 후속 단계에 대해 Rovinsky는 멜버른에 있는 Artec 3D의 골드 인증 파트너인 Thinglab과 협력하여 터치스크린이 내장된 100% 무선 3D 스캐너인 Artec Leo를 사용하여 태즈메이니아 박물관 및 미술관에서 전체 태즈메이니아 늑대 표본을 스캔했습니다. 이들 스캔은 박물관의 태즈메이니아 늑대 골격과 전신 박제를 캡처했습니다. 그런 다음 디지털 골격은 볼록 껍질 모형을 구성하고 디지털 조각의 시작점 역할을 하는 데 사용되었습니다.

태즈메이니아 박물관 및 미술관에서 Artec Leo로 태즈메이니아 늑대 골격을 스캔하는 Thinglab의 Ben Myers

Thinglab의 3D 스캐닝 책임자인 Ben Myers는 “우리는 Leo를 좋아하며 고객과 마찬가지로 다양한 프로젝트에 Leo를 활용했습니다. Leo에는 Thinglab 직원들이 감명받은 많은 기능이 있습니다. VCSEL 조명 기술은 과거에 문제가 되었던 표면을 정합하는 데 있어 큰 차이가 있습니다.”라고 말했습니다.

Artec Leo를 사용하여 태즈메이니아 박물관 및 미술관에서 스캔한 태즈메이니아 늑대 골격의 3D 모형

그는 이어서 “추적 기능은 놀랍도록 인상적이어서, 형상이 까다로운 물체 주위에서도 이동할 수 있으며 모든 표면을 쉽게 캡처할 수 있습니다. 물론 무선이며 디스플레이가 내장되어 있어 전체 스캐닝 과정이 훨씬 쉽고 효율적으로 이루어집니다.”라고 말했습니다.

태즈메이니아 박물관 및 미술관에서 Artec Leo를 사용하여 박제된 태즈메이니아 늑대 표본을 스캔하는 Thinglab의 Ben Myers

Rovinsky는 프로젝트의 마지막 단계 중 하나를 팀의 디지털 아티스트인 Damir Martin에 의뢰했습니다. 구석기 세계를 꼼꼼하게 묘사하는 데 능숙한 Martin은 지금까지 만들어진 태즈메이니아 늑대의 3D 모형 중 가장 사실적인 모형을 만들기 시작했습니다.

이 프로젝트 이전에도 Martin은 이미 태즈메이니아 늑대에 대해 깊이 연구했으며 태즈메이니아 전역의 자연환경에서 태즈메이니아 늑대의 수많은 숨 막히는 이미지를 만들었습니다.

Martin은 받침대로 받쳐 놓은 골격과 박제의 Leo 스캔을 작업의 기초로 사용했습니다. 그런 다음 그는 태즈메이니아 늑대에 대해 완벽하게 이해하고 Rovinsky와 Adams를 포함한 다른 사람들의 의견을 단계적으로 받아들여 ZBrush에서 태즈메이니아 늑대의 근육과 외관 각각을 디지털 방식으로 조각했습니다. 모형이 준비되자 디지털로 무게를 측정하고 이러한 측정치 데이터를 다른 체질량 추정치와 함께 전달했습니다.

Damir Martin이 만든 해부학적으로 정확한 태즈메이니아 늑대의 3D 모형

Martin은 그의 작업에 대해 저는 항상 멸종된 삶에 깊은 관심이 있었습니다. 태즈메이니아 늑대는 신비스럽고 독특한 외모를 가진 여러 면에서 특별한 동물입니다. 예술적 관점에서 볼 때, 수행된 대부분의 복원 및 재현은 불행히도 살아있는 동물의 미묘한 뉘앙스를 포착하지 못했습니다.

그러나 남아 있는 희귀한 사진과 영상 덕분에 실제로 우리는 실생활에서 태즈메이니아 늑대가 어떤 모습이었는지 알고 있습니다. 그래서 이 프로젝트의 과제는 저에게 또 다른 매력적인 요소였습니다.”라고 말했습니다.

Rovinsky와 그의 팀은 (207개의 스캔을 사용한 아흔세 마리의 태즈메이니아 늑대를 통한) 체질량 추정 계산에 대한 모든 데이터를 종합하여 태즈메이니아 늑대의 실제 무게가 수컷의 경우 약 19kg이고 암컷의 경우 14kg 라고 단정했습니다. 즉, 수컷이 암컷보다 30% 정도 더 컸습니다.

태즈메이니아 늑대의 체질량 추정에 대한 수십 년 동안의 가정과 비교할 때, Rovinsky와 그의 연구팀 추정한 혼성 태즈메이니아 늑대에 대한 체질량은 초기 체질량 결론치의 약 55%입니다. 결과적으로, 태즈메이니아 늑대는 때때로 더 큰 먹이를 쓰러뜨렸지만, 일반적으로 작은 생물을 잡아먹는 14~21kg 범위인 육식 동물의 중간 범위에 있었기 때문에 "육식 비용"을 위반하지 않았음이 분명했습니다.

이 성공적인 프로젝트는 체질량에 대한 현재 연구를 포함하고 전 세계에서 수집된 3D 데이터 샘플을 사용하여 태즈메이니아 늑대의 식습관, 운동 및 전체 생물학에 대한 더욱 자세한 조사로 확장되는 태즈메이니아 늑대에 대한 진화 생물학에 중점을 광범위한 연구의 한 측면입니다.

Adams는 이러한 작업에 3D 스캐닝이 중요성에 대해 “고생물학자들은 마침내 3차원 방법이 전반적으로 훨씬 더 정확한 체질량 추정치를 만들어 낸다는 사실을 깨닫기 시작했습니다. 이들 방법은 컴퓨터에서 디지털 방식으로 측정하는 경우에도 회귀선에 두 개의 변수를 표시하는 것이 아니라 물체 모양의 질량을 측정하기 때문에 더 효율적입니다.

3D 기술은 멸종된 동물의 크기 추정에 대한 우리의 이해를 변혁시키고 있습니다. 앞으로 이러한 기술이 이것에 더 자주 사용되는 것을 보게 될 것입니다. Artec Space Spider 또는 Leo를 사용하여 이러한 유형의 정확한 데이터를 수집하는 용이성과 속도를 고려할 때 이를 과소평가할 수 없습니다.”라고 자신의 견해를 밝혔습니다.

Rovinsky는 데이터의 중추적인 역할에 대해 "대부분의 고생물학자에게 유기체의 결정적 3D 조각상을 만들기에 충분한 데이터가 절대적으로 필요한 데 없다는 사실에 어려움이 있습니다.

측정할 표본 수가 한정되어 있고 작업할 전체 골격에 접근할 수 없었다면 저는 이 정도의 정확도를 얻을 수 없었을 것입니다. 대부분의 고생물학자는 완전한 골격은 말할 것도 없고 작업할 완전한 뼈조차도 가지고 있지 않습니다. 우리는 Artec 스캐너를 사용하여 필요한 방대한 양의 표본 데이터를 쉽게 수집할 수 있었습니다.”라고 말했습니다.

Rovinsky는 “태즈메이니아 늑대에 대한 이해가 그것의 현실성에 더 가까워질수록 이 놀라운 동물의 현실성이 더욱 좋아집니다. 하루가 끝나면 모든 데이터, 모든 관찰 내용, 우리의 알아낸 것 모두가 기껏해야 간접적입니다. 안타깝게도 더는 태즈메이니아 늑대가 없기 때문입니다.”라고 설명했습니다.

그는 이어서 “우리의 모든 연구와 데이터는 관찰, 해석, 측정 등을 통해 여과됩니다. 따라서 체질량과 같은 기본적인 것을 아는 것이 훨씬 더 중요합니다. 이 동물의 겉으로는 사소해 보이는 측면이 우리가 이 요인에 대한 이해를 쌓아 가고 있는 수많은 연구에 영향을 미치기 때문입니다.”라고 말했습니다.