Jul
06
2011

Case Study: Rekonstruktion von Dinosaurierfossilien mit dem FARO Laser Scanner

Paläontologen vom Sam Noble Oklahoma Museum of Natural History arbeiten an der Rekonstruktion fehlender Knochen eines jungen Apatosaurus. Weil leider nur ca. 15 % der Knochen gefunden wurden, versuchen die Wissenschaftler, das restliche Skelett nach dem Modell des bereits im Museum ausgestellten erwachsenden Apatosaurus zu rekonstruieren. Reverse Engineering des großen Skeletts ist hierfür die beste Lösung.

Die Herausforderung

Das Sam Noble Oklahoma Museum of Natural History beherbergt eine der umfassendsten paläontologischen Sammlungen prähistorischer Exponate. Ein Großteil der wissenschaftlichen Forschungen des Museums wird vom „Center for Shape Engineering and Advanced Manufacturing“ (SEAM) ausgeführt. Im SEAM haben mehrere Universitäten ihre technischen Ressourcen gebündelt, um gemeinsam Innovationen zu schaffen und zu verbreiten. Die University of Oklahoma ist SEAM-Mitglied und arbeitet seit Kurzem im Rahmen einer ganz besonderen Anwendung mit dem Sam Noble Oklahoma Museum of Natural History zusammen.

Die Paläontologen des Museums sollten die Anatomie eines jungen Apatosaurus rekonstruieren. Weil nur 15 % der Knochen gefunden worden waren, sollte das Wissenschaftlerteam die übrigen Fossilien anatomisch nachbilden. Dies geschieht üblicherweise durch das Formen von Tonmodellen von Hand. Dieses Verfahren ist allerdings sehr langwierig, häufig ungenau und im Grunde nicht reproduzierbar.

Als SEAM-Mitglied unterstützte die University of Oklahoma die Paläontologen des Museums mit einer alternativen Lösung. Die Universität wollte individuelle Prototypen der einzelnen Knochen des jungen Apatosaurus erstellen, aus denen die Paläontologen Gussteile für das Ausstellungsmodell anfertigen konnten. Das Team beschloss, das Skelett des vorhandenen ausgewachsenen Apatosaurus per Reverse Engineering so zu modellieren, dass die fehlenden Knochen des jungen Dinosauriers proportional nachgebildet werden konnten.

Lösung

Das Skelett des erwachsenen Dinosauriers ist gut 7,50 m hoch und 13,70 m lang und enthält fast 300 Knochen, sodass eine Nachbildung mit herkömmlichen bildhauerischen Verfahren einen enormen Aufwand bedeutet hätte. Dr. Binil Starly und sein Team aus Studenten der University of Oklahoma beschlossen, die Daten des ausgestellten ausgewachsenen Tieres per Laserscan zu erfassen.
Hierzu wurde mit Hilfe des FARO Laser Scanners ein virtuelles 3D-Abbild des ausgewachsenen Apatosaurus erstellt, um darauf die entsprechenden anatomischen Abmessungen für die Rekonstruktion des kleinen Skeletts nachzubilden.

„Der Laserscan dient als digitale Hilfstechnologie für die exakte anatomische Darstellung des prähistorischen Lebens auf der Erde“, erklärte Dr. Starly.

Einige Teile des ausgestellten ausgewachsenen Skeletts waren verdeckt oder befanden sich an engen oder schwer erreichbaren Stellen. Trotz der Platzbeschränkungen konnte der FARO Laser Scanner auch diejenigen Knochen vollständig erfassen, die normalerweise nicht erreichbar gewesen wären. Dank der Bedienfreundlichkeit und Mobilität des FARO konnte das Studententeam den gesamten Apatosaurus in nur wenigen Minuten einscannen.

„Als Studentin des Wirtschaftsingenieurswesens habe ich gelernt, immer nach effektiveren und effizienteren Möglichkeiten zu suchen, um eine Aufgabe zu erledigen. Der FARO Laser Scanner hat mir gezeigt, welche entscheidende Rolle neue Technologie hierbei spielt“, so Studentin Aimee Dilley.

Die dem Projekt zugeteilten Studenten waren schnell in die Bedienung des FARO eingewiesen und wechselten sich bei den Scans ab. Der FARO sendet einen Infrarot-Laserstrahl an das gescannte Objekt, von dem es wieder zum Laser Scanner zurückreflektiert wird. Der Laser Scanner kann beinahe eine Million Punkte pro Sekunde erfassen, aus denen er eine virtuelle Punktewolke erstellt. Aus diesen Punktewolken können anschließend digitale 3D-Modelle erstellt werden, die skaliert und an die gewünschten Abmessungen angepasst werden.

Angesichts der Zerbrechlichkeit von Fossilien war der Laserscan für das Museum besonders nützlich. Der FARO Laser Scanner erwies sich als die ideale Lösung für zerbrechliche Objekten wie Fossilien, weil er das kostbare Apatosaurus-Exponat nichtintrusiv erfassen konnte und zudem die Ausstellung während der Erfassung nicht geschlossen werden musste.

ROI

Das ausgewachsene Apatosaurus-Exponat wurde mit nur 9 Scans vollständig erfasst. Im Anschluss daran wurden virtuelle Modelle des Skeletts geändert und anatomisch an die vermutlichen Dimensionen des jungen Apatosaurus angepasst. In enger Zusammenarbeit überprüften die Ingenieure der University of Oklahoma und die Paläontologen des Sam Noble Museum, ob die Daten exakt bemessen waren, um mithilfe eines 3D-Druckers Gussmodelle mit den korrekten Proportionen ausgeben zu können. Die 9 Scans wurden in FARO Scene, der Laserscan-Nachbearbeitungssoftware, automatisch registriert, sodass die Ingenieure sich lediglich auf das Messen konzentrieren mussten.

Laut Kyle Davies, einem der Paläontologen des Museums, dauert die herkömmliche Rekonstruktion eines Schwanzwirbelknochens per Modellierung etwa einen Tag. Mit den neuen Laser-Scan-Verfahren konnte derselbe Knochen in nur 15–30 Minuten generiert werden. Das entspricht einer Zeitersparnis von 93–96 % für jeden einzelnen Wirbel. Der Hauptvorteil besteht darin, dass die großen Knochen der linken und rechten Seite des Skeletts einfach gespiegelt werden können, woraus sich die meisten Einsparungen ergeben.

Viele der Beteiligten der in den vergangenen Jahren durchgeführten Rekonstruktionen waren Freiwillige. Für dieses Projekt konnten nach Abschluss des Reverse Engineering auch unerfahrene Teilnehmer die Fossilien-Gussteile in kürzerer Zeit rekonstruieren. So sparte das Museum viel Zeit und Geld.

Ingenieur Jacob Ferguson: „Mit dem FARO Laser Scanner konnten wir unser Projekt in durchgehend effizienter Weise durchführen.“

Die Paläontologen waren sehr beeindruckt von der FARO-Technologie. Sie freuen sich schon darauf, mit dem FARO Laser Scanner die Techniken des Reverse Engineering in Zukunft auch bei anderen Anwendungen ihres Fachgebiets einsetzen zu können.

Klicken Sie hier um das Pdf herunterzuladen

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