挑戰(zhàn)：澳大利亞研究員始終致力于研究不同的鳥(niǎo)類，以測(cè)量在過(guò)去100年間，它們?yōu)閼?yīng)對(duì)全球變暖而出現(xiàn)的體形變化。研究員們需要一種快速、精準(zhǔn)又簡(jiǎn)便的方式來(lái)記錄博物館收藏的86種鳥(niǎo)類、上千個(gè)鳥(niǎo)喙的精確尺寸。
解決方案：Artec Space Spider, Artec Studio
效果：使用手持式三維掃描儀Artec Space Spider，每只鳥(niǎo)都能在短短兩分鐘內(nèi)完成亞毫米級(jí)的彩色3D捕獲。這樣，只需去一次博物館就能完成30-50只鳥(niǎo)的掃描。每只鳥(niǎo)的掃描處理也只需要6分鐘不到。最終完成的掃描數(shù)據(jù)表明，在過(guò)去一個(gè)世紀(jì)，鳥(niǎo)喙大約變大了4%-10%。
博士生Sara Ryding用Artec Space Spider掃描澳洲粉紅鳳頭鸚鵡（Eolophus roseicapilla）（供圖：Sara Ryding）
全球變暖的嚴(yán)重影響已經(jīng)持續(xù)了幾十年：全球不少鳥(niǎo)類都在應(yīng)對(duì)溫度上升的過(guò)程中出現(xiàn)了體形變化，包括喙、腿和其他部位，這表明它們和環(huán)境不斷斗爭(zhēng)，只為生存。
這種變化是如何幫助它們應(yīng)對(duì)氣溫升高的，目前只能用鮮有人知的“艾倫法則”來(lái)解釋。19世紀(jì)，這條生物進(jìn)化規(guī)則表明，溫暖氣候下的動(dòng)物通常有更大的器官，如耳、喙、尾、四肢。
由于許多器官?zèng)]有被毛皮或羽毛覆蓋，所以這些結(jié)構(gòu)本身起到了熱輻射器的作用，來(lái)散發(fā)熱量，讓身體降溫至舒適溫度。
火烈鳥(niǎo)的紅外圖顯示它們通過(guò)喙和腿來(lái)散熱（供圖：Glenn Tattersall）
非洲象利用耳部散熱，老鼠通過(guò)尾巴，而鳥(niǎo)類則通過(guò)喙和腿。
鳥(niǎo)類體溫調(diào)節(jié)原理
如果我們進(jìn)一步探究鳥(niǎo)類天生的體溫調(diào)節(jié)功能，就會(huì)發(fā)現(xiàn)大自然是如此鬼斧神工，這種散熱模式十分高效。首先，是鳥(niǎo)類身體有效的調(diào)溫器——喙。如果不仔細(xì)觀察，你會(huì)以為鳥(niǎo)喙是由類似樹(shù)皮一樣的惰性材料構(gòu)成的。
來(lái)自南非卡拉哈里沙漠的雌性南方黃嘴犀鳥(niǎo)（Tockus leucomelas）喙部含有大量血管（供圖：T. van de Ven, UCT）
其實(shí)，喙部也是活生生的器官，含有大量血管，有豐富的血管分支。舉個(gè)形象的例子，鳥(niǎo)類身體需要在睡眠時(shí)降溫，這時(shí)，它們會(huì)向喙部傳輸更多血液，將身體多余的熱量排出，使核心溫度降到有助于睡眠的水平。
顯然，對(duì)體形相當(dāng)?shù)镍B(niǎo)類而言，喙部更大，散熱就更高效。
正在散熱的大西海海雀（Fratercula arctica）（供圖：Glenn Tattersall）
大致來(lái)說(shuō)，為應(yīng)對(duì)快速上升的溫度，一代代動(dòng)物都需要根據(jù)身體比例增大部分器官的體積。但由于這種改變會(huì)造成身體對(duì)稱性的變化，從而造成體形改變。
鳥(niǎo)類體形變化的那些事
通常，鳥(niǎo)類的體形變化十分微小，必須通過(guò)測(cè)量過(guò)去幾十年的標(biāo)本來(lái)判斷，這些標(biāo)本幾乎都收藏于博物館，只有通過(guò)這種方式，才能對(duì)發(fā)生的體形變化做好量化工作。
過(guò)去的研究集中在某種或幾種特定鳥(niǎo)類上的進(jìn)化過(guò)程。盡管現(xiàn)在的研究同樣揭示了鳥(niǎo)類這一快速變化的趨勢(shì)，但這次的研究覆蓋了86種鳥(niǎo)類，共計(jì)6000只鳥(niǎo)。
Artec Space Spider掃描的澳大利亞壯麗細(xì)尾鷯鶯（Malurus cyaneus）（供圖：Sara Ryding）
這項(xiàng)研究由澳大利亞墨爾本迪肯大學(xué)博士生Sara Ryding負(fù)責(zé)，她和同事們一起，專門從事澳大利亞鳥(niǎo)類研究。
為了測(cè)量鳥(niǎo)類標(biāo)本時(shí)盡可能提高精度，Ryding的導(dǎo)師Matthew Symonds博士，決定采用三維掃描技術(shù)。
研究員Sara Ryding握著一只澳洲鳶（Elanus axillaris）（供圖：Sara Ryding）
Symonds了解了市面所有符合要求的三維掃描儀后，聯(lián)系了當(dāng)?shù)氐陌Ｌ坪献魃?span>Objective3D。
公司專家為他推薦了Artec Space Spider，這是一款計(jì)量級(jí)精度的手持式三維掃描儀，受到許多研究人員和專家的青睞，適合處理對(duì)精度和分辨率要求高的任務(wù)。
Artec Space Spider
對(duì)比鳥(niǎo)類體形變化的傳統(tǒng)方式就是使用數(shù)字卡尺來(lái)計(jì)算喙部的長(zhǎng)、寬、深度。隨后，將這些數(shù)值套入一個(gè)公式，計(jì)算同體積圓錐體的表面積。
Space Spider完整捕獲3D外形數(shù)據(jù)
Ryding提到，鳥(niǎo)喙有各種各樣的復(fù)雜外形，“如果把喙部簡(jiǎn)化為一個(gè)圓錐，勢(shì)必會(huì)丟失幾何數(shù)據(jù)，無(wú)法記錄下重要的解剖表面數(shù)據(jù)?！?
她補(bǔ)充道：“我們關(guān)注很多不同種類，從鴨子、夜鶯到猛禽……只有在研究范圍擴(kuò)大后，才能看到這些不同的喙部形狀。因此，我認(rèn)為三維掃描技術(shù)更適合這樣的研究，因?yàn)槲覀兛梢酝暾杉匀恍螒B(tài)的全部數(shù)據(jù)，不會(huì)有任何遺失。”
準(zhǔn)備用數(shù)字卡尺來(lái)測(cè)量澳洲紋翅食蜜鳥(niǎo)喙部（供圖：Sara Ryding）
手動(dòng)測(cè)量的另一個(gè)問(wèn)題就是操作誤差。在測(cè)量鳥(niǎo)類體形時(shí)，由于卡尺位置不同，哪怕是多位經(jīng)驗(yàn)豐富、全神貫注的研究員，都會(huì)出現(xiàn)測(cè)量差異，從而對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果帶來(lái)大的影響。
數(shù)秒鐘成就高精測(cè)量
Ryding表示：“有了Artec Space Spider，我們可以將操作員的誤差降到很低，即便是由不同人員操作，每份掃描幾乎都是一樣的。這才是研究員希望看到的結(jié)果。數(shù)據(jù)集精度越高，相關(guān)性就體現(xiàn)得更清晰，這也有助于我們得出可靠的結(jié)論。”
目前為止，Symond的研究已經(jīng)顯示，在過(guò)去一個(gè)世紀(jì)，鳥(niǎo)類喙部的體積已經(jīng)增加了約4%-10%。
就掃描效率來(lái)看，盡管新冠疫情封控政策導(dǎo)致無(wú)法多次前往博物館，但她還是在幾個(gè)月內(nèi)，掃描了3000多只鳥(niǎo)。她的終極目標(biāo)是6000只。
掃描當(dāng)天，Ryding都會(huì)有一到兩個(gè)明確目標(biāo)。在館長(zhǎng)的幫助下，她找到這些鳥(niǎo)類的具體位置，并根據(jù)標(biāo)本收集的年份和地點(diǎn)來(lái)挑選部分進(jìn)行掃描。
基本一個(gè)下午，她可以掃40-50只小鳥(niǎo)，或30-40只大鳥(niǎo)。
Artec Studio 截圖： Artec Space Spider掃描的澳洲粉紅鳳頭鸚鵡，未加紋理（供圖：Sara Ryding）
Ryding的掃描工作流程十分簡(jiǎn)單：把鳥(niǎo)放在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，面朝上，仰面躺好。然后，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的同時(shí)，用Space Spider掃描，一次性采集喙部所有解剖結(jié)構(gòu)。這一過(guò)程大約持續(xù)2分鐘，最后的掃描數(shù)據(jù)用途十分廣泛。
秒殺手動(dòng)測(cè)量的3D數(shù)據(jù)效果
用Ryding的話說(shuō)；“每份掃描提供的表面數(shù)據(jù)足夠我進(jìn)行各種分析了，甚至還有可能用于今后其他研究，例如幾何形態(tài)測(cè)量。想到過(guò)去的傳統(tǒng)操作方法，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，數(shù)字卡尺是絕無(wú)可能捕捉到這么詳細(xì)的表面數(shù)據(jù)的。
Artec Studio 截圖： Artec Space Spider掃描的澳洲粉紅鳳頭鸚鵡，帶紋理（供圖：Sara Ryding）
隨后，Ryding會(huì)在家或?qū)W校里用Artec Studio軟件處理掃描?？偟膩?lái)看，整個(gè)處理流程每只鳥(niǎo)大約需要6分鐘。
對(duì)此，她進(jìn)行了細(xì)致描述：“掃描處理流程如下：先進(jìn)行整體配準(zhǔn)，然后移除異常值，進(jìn)行尖銳融合，可清晰保留所有微小的細(xì)節(jié)。隨后，應(yīng)用紋理，即可清晰看出羽毛的根部和喙部開(kāi)始的位置。隨后，刪除多余數(shù)據(jù)，只剩喙部?！?
在Artec Studio中分離澳洲粉紅鳳頭鸚鵡喙部以便測(cè)量（供圖：Sara Ryding）
隨后，使用Artec Studio中的測(cè)量工具，為喙部快速完成線性測(cè)量，并和數(shù)字卡尺的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
她繼續(xù)介紹后續(xù)步驟：“然后，我會(huì)進(jìn)行一項(xiàng)卡尺無(wú)法完成的操作，也就是測(cè)量表面積，那么我得到的就是整個(gè)喙部的面積，而不是線條長(zhǎng)度。”
“Space Spider可以采集到喙部的微小平面和弧度，使表面積測(cè)算十分精準(zhǔn)，可達(dá)毫米級(jí)以下。”
Ryding繼續(xù)說(shuō)道：“我會(huì)直接使用這些測(cè)量數(shù)據(jù)，但如果我需要進(jìn)行幾何或形態(tài)分析，那我或其他研究員也可以利用這些Space Spider的掃描數(shù)據(jù)，我只需把掃描以PLY文件導(dǎo)出，即可用于不同應(yīng)用場(chǎng)景，完成不同任務(wù)。”
Artec Space Spider捕獲的黃翅澳吸蜜鳥(niǎo)（Phylidonyris novaehollandiae）（供圖：Sara Ryding）
至于如何將這項(xiàng)研究的范圍擴(kuò)大至其他國(guó)家，Ryding希望能有更多研究人員搜集數(shù)據(jù)，讓大家看到不同區(qū)域、大洲甚至半球的各種鳥(niǎo)類（或其他動(dòng)物）體形變化的量化數(shù)據(jù)和對(duì)比分析。
三維掃描技術(shù)在生物研究領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用
在她看來(lái)，三維掃描是實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)的必備工具：“如果我們想簡(jiǎn)化研究過(guò)程，讓不同研究員可以直接對(duì)比，那么數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度十分重要。手動(dòng)測(cè)量法是不現(xiàn)實(shí)的。”
Ryding補(bǔ)充道：“有了Space Spider，每只鳥(niǎo)的掃描時(shí)間只需幾分鐘，我們可以采集亞毫米級(jí)的表面數(shù)據(jù)和逼真紋理細(xì)節(jié)，甚至今后的工作需要都能滿足。”
Artec Space Spider掃描的澳洲綠鸝（Oriolus flavocinctus）（供圖：Sara Ryding）
對(duì)于那些無(wú)法獲得高效三維掃描儀的研究人員，Ryding和她的團(tuán)隊(duì)正在通過(guò)比較公式估算值和Space Spider完成的3D尺寸模型，完善現(xiàn)有鳥(niǎo)類喙部尺寸估算公式（幾何法）。
具體方法就是找出8個(gè)重要的喙部獨(dú)立線段值。隨后，將這些值和同一樣本的3D模型對(duì)比，Ryding設(shè)計(jì)了新的公式，提高了喙部手動(dòng)測(cè)量的精度。
Ryding仍在這一領(lǐng)域深耕，她計(jì)劃制定更多公式，覆蓋更多物種。
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