Artec Eva сканирует кости предка человека (Homo Naledi) возрастом 250 тысяч лет в подземной пещере

Кратко: Археологам предстояло найти бесконтактный способ оцифровки костей, чтобы не повредить их и не нарушить их исходного положения.

Задача: Точно оцифровать в 3D окаменелые останки скелета вымершего вида гоминин (предка человека) в труднодоступной пещере в Африке.

Инструмент: Artec Eva

Место самой крупной находки останков Homo naledi, предка человека, ранее неизвестного учёным, было отсканировано в 3D с помощью Artec Eva.

Эта история началась с обычного путешествия в пещеру Восходящей звезды, расположенную к северо-западу от Йоханнесбурга в октябре 2013 года: два спелеолога, Рич Хантер и Стивен Такер, решили проникнуть в неизученный участок пещеры. Спустившись по узкому жёлобу на глубину 12 метров, Хантер и Такер оказались в камере, которая позже получила название Dinaledi, что на языке сесото означает «звёзды», отсюда – Камера звёзд. Здесь спелеологи обнаружили множество останков. Их сфотографировали, а затем фотографии показали профессору Ли Бергеру из Витватерсрандского университета.

В Камере звёзд учёные обнаружили 15 скелетов вымершего вида предка человека.

Чутьё подсказало Бергеру, что эта находка навсегда изменит понимание того, «откуда мы пришли», и Бергер оказался прав: позже в Камере звёзд учёные обнаружили 15 скелетов вымершего вида предка человека, который получил название Homo naledi. Открытие послужило доказательством того, что сложное ритуальное поведение, такое как погребение мёртвых в специально отведённом для этого месте, присуще не только человеку, как считалось долгое время.

Как только Бергер увидел первые фотографии из Камеры звёзд, он решил собрать экспедицию и опубликовал следующий текст в социальных сетях:

Бергер решил собрать экспедицию и опубликовал обращение в социальных сетях.

«Дорогие коллеги! Мне нужна помощь всего нашего сообщества. Пожалуйста, сделайте всё, чтобы донести моё обращение до как можно большего числа профессиональных групп. Мы ищем трёх- четырёх профессиональных археологов / палеонтологов для непродолжительного проекта, который может стартовать уже в 1-го ноября 2013 года и продлиться месяц, если вся логистика будет организована как планируется. Главное условие – кандидат должен быть худым и, если возможно, невысоким. У него не должно быть клаустрофобии, он должен быть физически развит, иметь спелеологический и альпинистский опыт. Последнее будет большим плюсом. Идеальный кандидат  должен быть готов работать в тесноте и быть хорошим командным игроком. Учитывая специфичность изложенных требований, вероятно, лучше всего подойдут аспиранты или хорошо успевающие студенты последних курсов, хотя, конечно, чем более опытен претендент, тем лучше (особенно приветствуются кандидаты наук и научные сотрудники). Ограничений по возрасту нет. Не думаю, что у нас будет большой бюджет, но мы точно покроем расходы на перелёт, питание и проживание (хотя находиться участники экспедиции будут по большей части «в поле»). И, конечно, участникам будет гарантировано продолжение сотрудничества. Все, кто заинтересовался, пожалуйста, свяжитесь со мной напрямую. Сроки уже поджимают, так что, пожалуйста, распространите это сообщение среди профессиональных групп как можно скорее. Большое спасибо, Ли».

Спелеологам и учёным пришлось пробираться через узкие проходы, подняться на 15 метров по участку внутри пещеры, затем спуститься на 12 метров по центральному жёлобу, а в конце их ожидал проход шириной всего 18 см.

Первая, трёхнедельная экспедиция состоялась в ноябре 2013 года. Её целью было извлечь останки из глубины пещеры Восходящей звезды. Добраться до них было очень нелегко: спелеологам и учёным пришлось пробираться через узкие проходы, подняться на 15 метров по участку внутри пещеры, получившему название «Хребет дракона», затем спуститься на 12 метров по центральному жёлобу, а в конце их ожидал проход шириной всего 18 см.

Для участия в раскопках были отобраны шесть опытных палеоантропологов, археологов и антропологов. В ходе первой экспедиции стало понятно, что в камере находятся останки по меньшей мере 15 особей. В марте 2014 года состоялась вторая экспедиция для извлечения оставшегося материала.

Использование традиционного оборудования было затруднено, и для сбора данных в высоком разрешении было решено применить новый подход.

Из-за ограниченности пространства использование традиционного оборудования было затруднено, и для сбора данных в высоком разрешении было решено применить новый подход. Одним из тех, кто откликнулся на сообщение Бергера был Эшли Крюгер, который в то время заканчивал магистратуру в Институте эволюционных исследований Витватерсрандского университета и искал подходящий проект для написания кандидатской диссертации по палеоантропологии. Крюгер присоединился к команде Бергера в октябре 2013 года, незадолго до того, как в пещеру Восходящей звезды отправилась первая экспедиция.

Фиксирование положения объектов было произведено с помощью сканера Artec Eva.

«Вместе с профессором Бергером мы решили, что это открытие даёт прекрасную возможность испытать 3D-технологии в ходе раскопок и что я включу это в свою диссертацию, – говорит Крюгер. – Во время раскопок необходимо запечатлеть положение объектов, чтобы впоследствии исследователи могли воссоздать картину того, что происходило в данном месте».

Фиксирование положения объектов обычно производится с помощью тахеометра, но в данном случае был использован сканер Artec Eva. Роль Крюгера состояла в том, чтобы собирать данные, поступавшие от тех, кто находился непосредственно в Камере звёзд, а затем совмещать изображения различных слоёв в места раскопок в 3D – в итоге учёные получили полную картину расположения и глубины залегания останков.

Это изображение состоит из сканов, сделанных за четыре сессии во время раскопок. Бурые слои показывают границы раскопа, синие и оранжевые – окаменелые слои по ходу их извлечения в течение двух дней в марте 2014 г. Отчётливо видны окаменелые фрагменты руки и части нижней конечности. Изображение впервые появилось в статье “A new star rising: Biology and mortuary behavior of Homo naledi”: RANDOLPH-QUINNEY, Patrick S.. A new star rising: Biology and mortuary behavior of Homo naledi. S. Afr. j. sci.[online]. 2015, vol.111, n.9-10, pp. 01-04. ISSN 1996-7489.

Сканер Artec Eva был использован для фиксирования положения объектов, пока ещё они находились в осадочной породе. Для визуализации конкретного участка в 3D над ним проводили сканером одним движением, и изображение тут же появлялось на ноутбуке, к которому был подсоединён сканер. Затем снимали слой породы толщиной не более 5 см, и открывшийся участок точно так же сканировали.

Раскоп в Камере звёзд пещеры Восходящей звезды, март 2014 г. На изображении видны очертания окаменелостей, которые были извлечены из пещеры по завершении сканирования.

Документирование раскопок в Камере звёзд с помощью Artec Eva имело две цели. Во-первых, собирались данные о положении в пространстве и ориентации (осевой и поверхностной) по каждому фрагменту окаменелостей. Во-вторых, в режиме реального времени данные передавались учёным, находившимся на поверхности, чтобы они по ходу раскопок могли инструктировать команду, работавшую в пещере.

Крупный план участка раскопа в Камере звёзд. На снимке видны многочисленные окаменелые фрагменты, включая верхнюю челюсть (в центре).

«Я был поражён, насколько простой и точной оказалась эта технология в далеко не идеальных условиях, – говорит Крюгер. – Наша команда научились пользоваться сканером менее чем за час. С помощью 3D-сканирования нам удалось значительно ускорить весь процесс извлечения останков. С некоторыми задачами, на выполнение которых обычно уходит несколько часов, мы справились за минуты. В подобных проектах необходимо задокументировать сами объекты и их положение в пространстве. Как правило, это делается вручную, и постоянно приходится сверяться с координатной сеткой. Технология Artec позволила значительно ускорить этот процесс, несмотря на чрезвычайно сложные условия работы».

Команда учёных, находящаяся на поверхности, в режиме реального времени наблюдает, как строится 3D-изображение поверхности пещеры. Сканы использовались для того, чтобы запечатлеть стадии раскопок по мере извлечения окаменелых останков.

Обработка данных осуществлялась в Artec Studio 9 (впоследствии в Artec Studio 10 Professional). Скан каждого слоя, получавшийся после того, как сканером проводили над исследуемым участком, включал ряд отдельных изображений. Каждый скан регистрировался, а затем выравнивался по отношению к остальным сканам с помощью трёх опорных точек. Они представляли собой маркеры, размещённые в Камере звёзд. Сканер фиксировал их положение, что обеспечивало оптимальную регистрацию.

Член команды спелеологов Линдси Хантер следит за тем, как сканирует её коллега. (Фото: Elen Feuerriegel)

После выравнивания применялся алгоритм глобальной регистрации – таким образом сканы совмещались максимально точно. В результате создавалась трёхмерная сетка сканируемой области. На сетку накладывалась текстурная карта, также полученная в ходе сканирования. Сканы «сшивались» вместе слой за слоем, и учёные могли видеть соответствующий участок в глубину.

Два спелеолога сканируют раскоп в Камере звёзд с помощью Artec Eva перед тем, как фрагменты скелетов будут извлечены из окаменелой породы.

Окаменелости, задокументированные с помощью Artec Eva, позже были перевезены в Витватерсрандский университет, где учёные продолжили их изучать. Находка окаменелостей предка человека в Камере звёзд оказалась самой крупный на всём африканском континенте: всего было обнаружено 1 550 фрагментов. В проекте приняли участие около 40 учёных. По результатам их работы было написано две научные статьи и снят документальный фильм «Заря человечества» (Dawn of Humanity, NOVA / National Geographic).

Связаться с нами