Вы когда-нибудь хотели путешествовать внутри скалы? Возможно, это больше похоже на магию, чем на науку, но ученые из Принстона нашли способ сделать это (почти) правдой.
С помощью промышленной дробилки и камеры сверхвысокого разрешения геологи из Принстона Адам Малуф и Акшай Мехра могут деконструировать образцы горных пород и создавать трехмерные цифровые версии, на которые ученые могут смотреть под любым углом. Кроме того, они разработали программное обеспечение, которое позволяет компьютеру сегментировать изображения и изолировать объекты без вмешательства человека.
Используя эту технологию в сочетании с подробными полевыми наблюдениями, они изучили существо с тонким панцирем, обитавшее на большей части земного шара около 545 миллионов лет назад. организм, который может создавать панцирь или кости в дополнение к мягким тканям.
В то время как предыдущие исследователи утверждали, что Cloudina были строителями рифов, Малуф и Мехра смогли использовать свою трехмерную реконструкцию тонких трубчатых структур существ, чтобы сделать вывод, что окаменелости были перенесены из других областей, предполагая, что что Cloudina играла лишь незначительную роль в самых ранних рифовых системах. Их работа опубликована в текущем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Я думал, что войдя внутрь, мы узнаем много нового об этом удивительном первом биоминерализаторе и первом строителе рифов, но Клаудина оказалась больше похожа на обитателя рифов», - сказал Малуф, доцент геолого-геофизических исследований. Теперь он сосредоточил свое внимание на следующем древнейшем потенциальном строителе рифов, губке под названием Archaeocyathid, которая жила около 520 миллионов лет назад.
Cloudina оказался устойчивым к детальному изучению, потому что его тонкая оболочка слишком хрупка, чтобы ее можно было физически извлечь из окружающего известняка, и ее нельзя было визуализировать дистанционно с помощью традиционных методов рентгеновской томографии, которые требуют различий в плотности между объектом исследования. интерес и окружающий материал. Поскольку Cloudina химически идентичен известняку, окаменелости были фактически невидимы для рентгеновских лучей.
Знакомьтесь, ГИРИ
Почти пять лет назад Малуф и сотрудник Situ Studio Брэд Сэмюэлс собрали технологию для создания того, что он теперь называет «флипбуками», цифровыми визуализациями, которые перемещаются по более чем тысяче тончайших срезов скалы. Известный как «GIRI» или «шлифовальный станок», прибор Princeton Grinding Imaging and Reconstruction Instrument является ответом на давнее желание геологов узнать, как скалы выглядят изнутри.
«Всегда - со времен Дарвина - люди пытались выяснить, как окаменелости выглядят в 3D, когда они встроены в горную породу и их трудно извлечь», - сказал Малуф. «В то время люди делали серийные разрезы точно так же - но, возможно, не в таком масштабе - где они шлифовали немного камня, рисовали его, шлифовали еще немного, рисовали… Это может занимать невероятно много времени».
Войдите в GIRI, который может нарезать ломтики толщиной всего в несколько микрон (менее 1 процента от миллиметра) и может работать 24 часа в сутки в течение нескольких недель подряд. Поскольку для вырезания и отображения каждого среза требуется около 90 секунд, исследователям приходится выбирать между скоростью и масштабом. Большинство образцов, которые сфотографировали Малуф и Мехра, нарезаны на кусочки толщиной 30 микрон, что составляет примерно треть толщины человеческого волоса. Типичный образец из 1500 срезов толщиной в дюйм занимает около полутора дней для измельчения и изображения; за это время оператору необходимо заменить машинные жидкости и очистить скребки (которые очищают поверхность после каждого реза) только один раз.
"Процесс разрушительный", сказал Малуф. «Кости динозавров, лунные образцы - есть определенные образцы, которые люди с меньшей вероятностью дадут нам. На самом деле это нас не остановило, потому что большинство образцов не являются драгоценными. Cloudina, их миллионы - мы никогда не смогли бы измельчить их все."
GIRI может производить трехмерную визуализацию любого твердого объекта, независимо от того, имеет ли он разность плотности, необходимую для эффективной рентгеновской компьютерной микротомографии (обычно известной как рентгеновская компьютерная томография или микро-КТ). Кроме того, поскольку вы делаете снимок каждого среза в сверхвысоком разрешении, вы всегда видите саму породу, а не только модель плотности, которую может предоставить дистанционное зондирование..
"Конечно, это разрушительно, это недостаток, но что приятно, так это то, что ты видишь фотографии и делаешь непосредственные наблюдения", Малуф. «Вот что так изменило мою жизнь: мне нравится, что это не модель. Вы можете просто увидеть это. На любом данном фрагменте, если вы найдете что-то отличное, вы можете просто найти этот фрагмент и спросить: «Как он выглядел?» …Мы совершаем виртуальный тур внутри, а не смотрим на формы сигналов и пытаемся их интерпретировать».
И хотя GIRI действительно измельчает образец, он сохраняет каждую деталь в своих изображениях с высоким разрешением, сказал Малуф, что, возможно, делает его менее разрушительным, чем другие подходы. Он также сохраняет структурную информацию, которая показывает, как образовались горные породы. «Когда люди пытались получить трехмерную информацию из таких горных пород, которые непрозрачны для рентгеновских лучей, они всегда пытались растворить материал. Но тогда вы теряете всю информацию на месте. как они росли. Они не имеют никакого отношения друг к другу. И вы не знаете, как они связаны с, возможно, меньшими или менее упругими частями. Вы можете предпочесть растворить орнамент или другие ключевые детали. Так что это способ сохранить их в их среду обитания, все еще пытаясь понять, как они выглядят."
За годы, прошедшие с тех пор, как Малуф собрал GIRI, он и его исследовательская группа добились физических улучшений. К ним относятся переделка и замена корпуса камеры, а также механизма протирки и подготовки поверхности скалы к фотографированию после каждой шлифовки. Они также установили датчики температуры и влажности для записи условий во время каждой фотографии. Исследователи также сократили время измельчения одного ломтика с семи минут до 90 секунд. Однако самые большие изменения коснулись улучшения программного обеспечения для запуска машины и анализа выходных данных.
Используя коллекцию интерактивных сценариев MATLAB и функций Applescript, управляющий компьютер теперь может отправлять и получать сигналы от измельчителя, запускать затвор и проверять захват изображения, пока GIRI работает, сказал Мехра.
С самого начала Акшай разработал решения для машинного обучения, чтобы сделать процесс сегментации изображений - отличать окаменелости от матрицы, цемента и т. д., в каждом срезе - автоматизированным и надежным», - сказал Малуф. «Он разработал методы, которые в конечном итоге будут важны для любых томографических приложений, включая рентгеновскую КТ. Акшай также разработал способы проведения количественных измерений в реконструированных трехмерных объемах. Вы будете удивлены, узнав, что трехмерное моделирование ведет только к визуализации и качественной интерпретации, в то время как Акшай фактически измеряет размер, форму и трехмерную ориентацию этих тварей».
Используя разработанное им программное обеспечение, «мы можем напрямую измерить эти образцы Cloudina», - сказал Мехра. «Мы можем напрямую измерить, в каком направлении изгибаются трубки, каковы их диаметры, какова их кривизна - ни одна из них на самом деле не является прямой - и на основе этой информации мы можем определить, находятся ли они на месте или нет».
Мехра также разработал нейронные сети для идентификации типов горных пород только по их визуальным свойствам: цвету и текстуре. После того, как пользователь определит, какие «классы» присутствуют в нескольких изображениях из стека - например, ископаемое или матрица, или ключевые минералы в метаморфической породе, - сеть может затем предсказать, принадлежит ли пиксель к данному классу с большей точностью. точность более 90 процентов.
И со всем этим, по его словам, студенты и аспиранты обычно могут быть обучены работе с GIRI примерно за день.
Ученые со всего мира обратились к Малуфу и Мехре с просьбой о виртуальных визуальных турах по их собственным образцам. Палеонтологи надеются изучить тонкие структуры самой ранней жизни на Земле, огромное количество ранних существ с панцирем, первых рыб, первых наземных существ, внутреннюю структуру аммонитов и других организмов с внутренней системой плавучести и даже кости динозавров. Ученые-планетологи начали исследовать метеориты с помощью GIRI, чтобы посмотреть на крошечные зерна, называемые хондрами, которые содержат намеки на то, как сформировались планеты. Инженеры проверяют возможные породы-коллекторы на поглощение углерода и измельчают графитовые батареи, чтобы изучить трехмерную структуру пористости в углероде.
На самом деле нет предела вкладу GIRI, сказал Малуф. «Это пять лет работы. Это единственный инструмент в мире, подобный этому».