3D Digital Technology Helps Paleontologists Build Dinosaur Models from Fossils

3D Digital Technology Helps Paleontologists Build Dinosaur Models from Fossils

ค้นพบวิธีการที่นักบรรพชีวินวิทยาใช้เทคโนโลยีการสแกนและพิมพ์แบบ 3 มิติ เพื่อสร้างแบบจำลองดิจิทัลของ Taurovenator ซึ่งเป็นสัตว์นักล่าในยุคครีเทเชียสจากอาร์เจนตินา ซึ่งเป็นการพัฒนาที่ล้ำสมัยในการวิจัยและอนุรักษ์ซากดึกดำบรรพ์

 

Reconstruction of Taurovenator
Reconstruction of Taurovenator

“Taurovenator violantei” คือไดโนเสาร์กินเนื้อขนาดใหญ่จากยุคครีเทเชียสตอนปลายในประเทศอาร์เจนตินา การค้นพบของมันไม่เพียงช่วยเพิ่มพูนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับไดโนเสาร์เทอโรพอดในทวีปอเมริกาใต้ แต่ยังกลายเป็นตัวอย่างสำคัญของการบูรณาการระหว่างวิชาบรรพชีวินวิทยาเข้ากับเทคโนโลยี 3 มิติที่กำลังพัฒนา ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ใช้เทคนิคการสแกนและพิมพ์แบบ 3 มิติ เพื่อสร้างแบบจำลองดิจิทัลและจำลองโครงกระดูกจริงขึ้นมา ซึ่งช่วยพัฒนาทั้งงานวิจัย การอนุรักษ์ และการสื่อสารทางวิทยาศาสตร์สู่สาธารณะ

 

“Taurovenator” (ชื่อสกุลที่มีความหมายว่า “นักล่ากระทิง”) เดิมทีได้รับการตั้งชื่อว่า Taurovenator violantei และมีการบรรยายลักษณะในปี 2016 โดยคำบรรยายในยุคแรกนั้นอิงตามตัวอย่างกระดูกหลังเบ้าตา (บริเวณขมับ) ที่ค้นพบจากแหล่งหินฟอร์เมชันฮวินกุล (Huincul Formation) ในประเทศอาร์เจนตินา สัตว์ชนิดนี้ถูกจัดให้อยู่ในกลุ่มไดโนเสาร์กินเนื้อขนาดใหญ่ตระกูลคาร์ชาโรดอนโทซอริด (carcharodontosaurid theropods) และแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ทางสัณฐานวิทยาและความใกล้เคียงกับนักล่าขนาดยักษ์อื่นๆ ในอเมริกาใต้ เช่น Giganotosaurus และ Mapusaurus ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การทำงานภาคสนามและการวิจัยอย่างต่อเนื่องโดยนักวิชาการและทีมงานหลายกลุ่มได้ช่วยขยายความเข้าใจของเราเกี่ยวกับสายพันธุ์นี้อย่างมีนัยสำคัญ

 

ดร. เฟอร์นันโด โนวัส (Dr. Fernando Novas) และศาสตราจารย์ มาร์เซโล พาโบล อิซาซิ (Prof. Marcelo Pablo Isasi) เป็นผู้มีส่วนร่วมหลักในการวิจัยเกี่ยวกับ Taurovenator ทั้งสองท่านเป็นนักวิจัยอยู่ที่ CONICET (สภาวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคนิคแห่งชาติของอาร์เจนตินา) และมีประวัติการทำงานร่วมกันและการตีพิมพ์ผลงานอย่างกว้างขวางกับเพื่อนร่วมงานทั้งในและต่างประเทศเกี่ยวกับกลุ่มสิ่งมีชีวิตดึกดำบรรพ์ (paleobiota) ของภูมิภาคปาตาโกเนียและสัตว์ในอเมริกาใต้กลุ่มอื่นๆ ตัวอย่างเช่น งานวิจัยที่เชื่อมโยงกับการค้นพบ Kostensuchus atrox ซึ่งเป็นจระเข้ที่น่าเกรงขามซึ่งมีชีวิตอยู่เมื่อประมาณ 70 ล้านปีก่อน และถูกค้นพบในปาตาโกเนีย

 

Dr. Fernando Novas (right) and Prof. Marcelo Pablo Isasi (left)

 

Complete skull of Kostensuchus atrox, measuring nearly 50 centimeters in length

ในการค้นพบและดำเนินงานต่อเนื่องเกี่ยวกับ Taurovenator สถาบันท้องถิ่น มูลนิธิ และบริษัทต่างๆ ก็ได้มีส่วนร่วมในการผลิตแบบจำลองและการจัดแสดงด้วยเช่นกัน เช่น Fundación Azara และบริษัทผู้เชี่ยวชาญด้านการพิมพ์ 3 มิติอย่าง Dryada

กระบวนการทำงานแบบดิจิทัล: วิธีเปลี่ยนซากดึกดำบรรพ์ให้เป็นแบบจำลองที่พิมพ์ได้

สำหรับโครงการสร้างแบบจำลอง Taurovenator ขึ้นใหม่นั้น นักวิจัยได้นำขั้นตอนสำคัญต่อไปนี้มาปรับใช้ ซึ่งเป็นกระบวนการหลักที่นิยมใช้กันในปัจจุบันสำหรับงานด้านการเปลี่ยนซากดึกดำบรรพ์ให้เป็นรูปแบบดิจิทัล

การสแกน 3 มิติและโฟโตแกรมเมทรีอย่างมีประสิทธิภาพ
นักวิจัยใช้เครื่องสแกน 3 มิติ รุ่น SHINING 3D EinScan Pro HD เป็นหลัก ร่วมกับเทคนิคโฟโตแกรมเมทรี (Photogrammetry) เพื่อให้ได้แบบจำลอง 3 มิติ วิธีการนี้ช่วยให้สามารถเก็บข้อมูลได้โดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อซากดึกดำบรรพ์อันมีค่า เครื่อง EinScan Pro HD สร้างกลุ่มจุดข้อมูลที่หนาแน่น (dense point clouds) และให้ผลลัพธ์เป็นแบบจำลองที่มีความละเอียดสูง การใช้แสงสีน้ำเงินที่มีโครงสร้าง (structured blue light) ช่วยให้มั่นใจในความแม่นยำสูง และการออกแบบที่รองรับการใช้งานได้หลากหลายรูปแบบยังทำให้เหมาะสำหรับวัตถุที่มีขนาดและวัสดุแตกต่างกัน พร้อมทั้งมีความเร็วในการสแกนที่รวดเร็ว เมื่อรวมกับการถ่ายภาพความละเอียดสูงจำนวนมากด้วยกล้องถ่ายรูป จึงทำให้สามารถสร้างแบบจำลอง 3 มิติของไดโนเสาร์ขึ้นมาใหม่ได้อย่างเที่ยงตรงสมจริง
3D scanning with EinScan Pro HD, a structure light multi-functional 3D scanner

 

การสร้างแบบจำลองและการบูรณะทางกายวิภาค
ในซอฟต์แวร์ 3 มิติ นักวิจัยได้ดำเนินการทำความสะอาดข้อมูลที่สแกนได้ (การลดสัญญาณรบกวนหรือ Noise reduction, การซ่อมแซมชิ้นส่วนที่แตกหัก) การใช้เทคนิคสะท้อนกระจกแบบดิจิทัล (Digital mirroring เพื่อสร้างส่วนที่ขาดหายไป) และการประกอบโครงกระดูกบนหน้าจอขึ้นมาใหม่ ขั้นตอนนี้จำเป็นต้องอาศัยทั้งความเชี่ยวชาญทางกายวิภาคของนักบรรพชีวินวิทยา (การจัดตำแหน่งกระดูก, การอนุมานท่าทาง) และทักษะการสร้างแบบจำลองของวิศวกรดิจิทัล
Reconstructing dinosaur skeletal details based on scanned data

 

การพิมพ์ 3 มิติ
เนื่องจากสัตว์ชนิดนี้มีขนาดใหญ่มาก โครงกระดูกทั้งชิ้นจึงไม่สามารถพิมพ์ออกมาเป็นชิ้นเดียวได้ในเครื่องพิมพ์ทั่วไป ทีมวิจัยจึงได้แบ่งโครงกระดูกดิจิทัลออกเป็นหลายชิ้นส่วนย่อยเพื่อให้เหมาะสมกับขนาดเครื่องพิมพ์และง่ายต่อการประกอบในภายหลัง แต่ละชิ้นส่วนได้รับการออกแบบให้มีจุดเชื่อมต่อแบบดิจิทัลเพื่อการประกอบเข้าด้วยกันในภายหลัง จากนั้นจึงนำชิ้นส่วนเหล่านั้นไปพิมพ์ทีละชิ้นโดยใช้เครื่องพิมพ์ระบบ FDM (Fused Deposition Modeling) และวัสดุที่หาได้ทั่วไปอย่าง PLA (Polylactic Acid)
Models 3D printed in sections, will be assembled together
การตกแต่งขั้นสุดท้าย, การเสริมความแข็งแรง และการประกอบ
หลังจากขั้นตอนการพิมพ์ ชิ้นส่วนต่างๆ จำเป็นต้องผ่านกระบวนการถอดโครงสร้างค้ำยัน (support structures) การขัดผิว และการเชื่อมต่อด้วยความร้อน เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของกระดูก ทีมผู้ผลิตได้ใส่แกนโลหะเข้าไปภายในกระดูกที่พิมพ์ไว้เพื่อเป็นตัวรองรับ จากนั้นจึงเติมช่องว่างด้านในด้วยโพลียูรีเทนเรซินชนิดแข็งแบบสองส่วนประกอบ (two-component rigid polyurethane resin) เพื่อเพิ่มความแข็งแกร่ง ในขั้นตอนสุดท้าย กระดูกแต่ละชิ้นจะถูกนำไปติดตั้งเข้ากับโครงโลหะหลักโดยรวมในท่าทางที่ออกแบบไว้ล่วงหน้า ทำให้ได้โครงกระดูกจำลองสำหรับจัดแสดงที่สมบูรณ์และสามารถตั้งได้ด้วยตัวเอง
The model displayed at the exhibition

 

คุณค่าของเทคโนโลยีการสแกนและการพิมพ์ 3 มิติในสาขาวิชาบรรพชีวินวิทยา

หลังจากทำการสแกนแล้ว แบบจำลองดิจิทัลสามารถเข้ามาแทนที่ความจำเป็นในการหยิบจับซากดึกดำบรรพ์ต้นฉบับบ่อยๆ ได้ชิ้นงานจำลองที่พิมพ์ออกมาสามารถนำไปใช้เพื่อการวิจัยหรือการจัดนิทรรศการได้ ขณะที่ชิ้นงานต้นฉบับจะถูกเก็บรักษาไว้ในสภาพแวดล้อมที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น วิธีนี้ช่วยลดความเสี่ยงต่อตัวอย่างต้นฉบับในระหว่างการจัดแสดง และในขณะเดียวกันก็ช่วยเพิ่มขอบเขตการเข้าถึงสำหรับการให้ความรู้ทางวิทยาศาสตร์แก่สาธารณชนได้มากขึ้น นอกจากนี้ ไฟล์ 3 มิติยังสามารถแบ่งปันผ่านทางออนไลน์ได้อย่างง่ายดาย ทำให้นักวิจัยทั่วโลกสามารถเข้าถึงแบบจำลองที่มีความแม่นยำสูงจากระยะไกล เพื่อทำการศึกษาทางสัณฐานวิทยา การวัดขนาด หรือการเรียนการสอน ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานร่วมกันได้เป็นอย่างดี

สำหรับนักบรรพชีวินวิทยารุ่นเก่า นี่อาจดูเหลือเชื่ออย่างยิ่ง: โครงกระดูกไดโนเสาร์ไม่ได้เป็นเพียงผลผลิตจากแม่พิมพ์ปูนปลาสเตอร์และการหล่อเรซินอีกต่อไปแล้ว แต่ตอนนี้สามารถสร้างแบบจำลองบนคอมพิวเตอร์และ
“เพาะปลูก” ขึ้นมาในเครื่องพิมพ์ได้
ตามที่ศาสตราจารย์ มาร์เซโล อิซาซิ (Professor Marcelo Isasi) กล่าวไว้ว่า: “เทคโนโลยีใหม่นี้จะเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญในการพัฒนาเทคนิคทางบรรพชีวินวิทยาในอาร์เจนตินา”