この頭蓋骨は250個以上の破片に砕け、200万年もの間地中に埋もれていた。

課題: 「人類発祥の地」として知られる南アフリカでは、考古学者が遺跡から古代人の頭蓋骨の破片 250 個以上を発掘しましたが、これらをつなぎ合わせて修復する必要がありました。

ソリューション: Artec Space Spider、Artec Studio

プロジェクトのプロセス: 考古学の発掘現場で、研究者は Space Spider を使用して、現場で頭蓋骨の破片と周囲の堆積物をスキャンし、各破片の相対的な位置をデジタルで記録して、頭蓋骨の接合と修復の参照資料を提供しました。頭蓋骨が修復された後、研究者らは Space Spider を使用して頭蓋骨の高解像度 3D モデルを作成し、その後の教育や科学研究のシナリオで使用するために 3D プリントを実行しました。

#1 「人類発祥の地」考古学遺跡で新たな大発見

△南アフリカ、デリーメレンの考古学発掘現場。
2018年、南アフリカのヨハネスブルグ北部にあるドリメレン遺跡で、現地調査を行っていた学生が地層から大量の頭蓋骨の破片と歯の化石を発見した。

このニュースを聞いて、オーストラリアのラ・トローブ大学の研究者ジェシー・マーティンとアンジェリーナ・リース、そしてアンディ・ヘリーズ教授はすぐにチームを集め、荷物をまとめてメルボルンから南アフリカへ飛び立った。彼らの機内持ち込み手荷物の 1 つは Artec Space Spider スキャナーでした。

研究チームの直感は非常に鋭かったことが判明した。この発掘で発見された250以上の破片は、最終的にDNH155という番号が付けられた古代人の頭蓋骨に組み立てられました。これは、これまで世界で発見されたホモ・ロバエウスの頭蓋骨の中で最も古く、最も保存状態の良いものです。パラントロプス・ロバイシは、突出した頬骨、大きな歯、小さな頭を持つ、人間の祖先に近い種です。120万年から200万年前に生息していました。研究チームはまた、古代人類の系統樹上の種が環境や気候の変化に応じて小進化を遂げたことを示す説得力のある証拠を頭蓋骨から発見した。関連論文は2020年11月9日にNature Ecology & Evolution誌に掲載されました。

△DNH155のスカル。
#2 考古学は刺繍のようなもので、3Dスキャンは刺繍針です

地層中のDNH155の数百の破片の空間分布は比較的集中しているが、化石の組み立ては明確な設計図を必要とするレゴの組み立てのようなものではない。 250個以上のばらばらの断片を正確につなぎ合わせるために、研究者たちは花嫁が刺繍をするよりも10倍も繊細な作業をしなければならなかった。

南アフリカのデリーメレンにある考古学の発掘現場で、リズは数日かけて地層から化石を含む堆積物の大きな塊を慎重に切り出しました。このステップが完了すると、マーティンがステージに上がる番になります。マーティン氏はまず、堆積物が突然崩れるのを防ぐために、文化遺産修復用接着剤で堆積物をコーティングする必要があった。その後、マーティンさんは小さな木の棒などの道具を使って、堆積物から頭蓋骨の破片を一つ一つ慎重に取り除いた。

次に、マーティンはアセトンを使用して堆積物の表面を繰り返し拭き、接着剤を柔らかくする必要があります。接着剤が再び固まる前、つまりこの短い時間の間に、彼は道具を使って化石の上の堆積物を優しく払い落とした。一度に払い落とすのはほんの数ミリの堆積物だけであり、時にはストローで堆積物を吸い取ることもあった。化石の破片の輪郭がはっきりと見えるようになるまで上記の手順を繰り返した後、マーティンはスペーススパイダースキャナーを手に取って、化石の破片とその周囲の堆積物を一緒にスキャンします。

△化石の破片に付着した堆積物の洗浄作業。
マーティン氏は次のように語った。「3Dスキャン技術が導入される前は、常にジレンマに直面していました。化石の破片を一つ一つ洗浄して保存しなければならなかったからです。しかし、化石の破片を堆積層から取り出すと、堆積層内の破片の本来の姿勢や破片間の相対的な位置情報が破壊され、組み立てと修復作業に大きな課題が生じていました。」彼はさらに、「スペーススパイダースキャナーがあれば、各化石堆積層をスキャンして正確な3Dデータ記録を取得し、その後の頭蓋骨化石の組み立てに正確な参照情報を提供します。」と語った。

頭蓋骨の化石を組み立てる 300 時間以上の間、マーティンとリズは、いつでも Space Spider のスキャンデータセットを読み込むことができるように、近くのコンピューターで常に Artec Studio ソフトウェアを実行していました。堆積層内の化石片の姿勢や位置を確認する必要がある場合は、マウスを数回クリックするだけで、対応するスキャンデータを呼び出して必要な情報を取得できます。

考古学界では、化石などの地下発掘物の寸法を測定する際に、通常、ノギス測定と写真測量という 2 つの伝統的な方法を採用しています。しかし、どちらの方法も必然的に化石との直接接触が必要になります。そのうち、ノギスは化石の表面に傷をつけやすく、写真測量法は化石の表面にマーキングポイントを貼り付けてから取り外す必要があるため、これも化石に損傷を与えやすい可能性があります。

ただし、Artec 3D スキャン技術は 100% 非接触測定技術です。 Artec Space Spider を使用した 3D スキャンでは、化石に触れることなく、わずか数分で最大 0.05 mm の精度で測定値を生成できます。同じ化石の破片を何千回もスキャンしても、何ら損傷はありません。

#3 スペーススパイダーの具体的な操作手順

マーティン氏は、Space Spider スキャナーを使用した通常のワークフローを次のように説明しています。「まず、化石をターンテーブルに置き、最初のデータセットを収集します。スキャナーを化石に向け、ターンテーブルを回転させながらスキャナーをゆっくりと上下に動かします。最初のデータセットを収集したら、化石を裏返し、裏側から引き続きデータを収集します。スキャンを数分行うだけで、十分な表面データとオーバーラップ領域が得られ、後処理によって破片の完全なモデルを生成できます。」

その後、マーティンは Artec Studio の消しゴムツールを使用してベースを削除し、複数のスキャンを揃えました。次に、全体的な登録を実行し、外れ値のノイズを除去し、最後にシャープな融合を実行します。彼は次のように説明しています。「人間の頭蓋骨を研究する場合、頭蓋骨の塊の特徴をすべてはっきりと見たいので、解像度を 0.1 mm に設定しました。これにより、側頭線、頭蓋縫合線、孔などの細部まではっきりと観察できます。」

完璧な 3D モデルを作成した後、Martin 氏はワンクリックでモデルをマッピングし、スキャンデータを WRL 形式でエクスポートしました。「WRL 形式を選んだのは、それがユニバーサル形式であるという理由だけでなく、テクスチャデータをジオメトリデータから分離しておきたかったからです。考古学者はモデルの色を隠す必要があることが多いので、モデルの品質の研究に集中できます。これが私たちが最も重視していることです。」

△DNH155 スカル3Dモデル（テクスチャカラー付き）
マーティン氏は、一つのことが重要だと考えています。それは、研究者は純粋な幾何学的データを大いに必要としているということです。「Artec Studioでは、モデルの色をワンクリックで非表示にすることができます。研究者が色のない幾何学的データを詳しく見ると、化石そのものを肉眼で見るよりも多くの情報を得ることができます」と彼は語った。

△DNH155 スカル3Dモデル（テクスチャカラーなし）
マーティン氏はさらにこう続けた。「分かりやすい例を挙げると、数年前に私たちは Space Spider を使って別の古代人の頭蓋骨をスキャンしました。頭蓋骨の化石は、約 200 万年前の 2 ～ 3 歳の赤ちゃんのものでした。乳児期の人間の頭蓋骨は通常柔らかく、頭蓋骨はまだ完全に閉じていません。しかし、乳児の脳は急速に発達する時期にあるため、柔らかい頭蓋骨が内部で圧迫され、跡が残ります。」

「しかし、これらの痕跡は通常肉眼では見えず、訓練を受けた研究者であっても化石で見つけることは事実上不可能です。目にするのは、一見ランダムな隆起や傷だけです。しかし、Artec Studio でモデルから色を取り除くと、CT スキャンを読み取るのと同じように、200 万年前に脳が成長したときに頭蓋骨の内側に残された驚くべき痕跡を見ることができます。」

マーティンはノンストップで話し始めました。「脳は頭蓋骨の内側に非常にはっきりと成長の跡があります。髄膜の血管、溝、脳回の跡などの詳細を見ることができます。この情報により、脳のさまざまな領域を明確に特定できます。想像してみてください。私たちは200万年前の脳を研究していますが、これはすべて、頭蓋骨の内側の脳の成長の跡を捉えたSpace Spiderのおかげです。Artec Studioでモデルの色をオフにするだけで、すべての詳細をはっきりと見ることができます。」

#4 3Dスキャンデータは3Dプリントにも利用される

△ 研究者のジェシー・マーティン氏とアンジェリーナ・リス氏が、DNH155 の頭蓋骨の 3D プリントモデルを研究しています。
研究者たちは、スペース・スパイダーが収集したスキャンデータに基づいて、3Dプリントを使用してDNH155の頭蓋骨の1:1レプリカを作成した。経験豊富な研究者でさえ、この高度に修復された 3D プリントモデルを見て衝撃を受けました。

マーティン氏はまた、Space Spider のスキャンデータは非常に高い精度と詳細度を誇り、3D プリント用の高品質なデジタルモデルを提供していると述べました。「私たちが3Dプリントしたすべての破片は、隙間や端がシームレスにフィットし、元の化石と完璧にフィットします。」

この頭蓋骨は250個以上の破片に砕け、200万年もの間地中に埋もれていた。

開始価格: 3,500 米ドル! Markforged、2つの新しいカーボンファイバー3Dプリンターを発売

3Dプリント技術は石油化学機器のインテリジェントなアップグレードを促進する力を発揮する

ステンレススチール製の3Dプリントエンジンを搭載した大型液体燃料ロケット「天龍3号」が正式に発表された。

破断伸びはなんと450%！ソフトロボット用多孔質構造の重合性ラテックス 3D プリント

IDCは、世界の3Dプリント市場の支出が2020年に350億ドルに達すると予測している。

ColdMetalFusion Alliance、初のエンドツーエンドの金属3Dプリントソリューション2つを発表

コロンビアのエンジニアがロボットレーザーを使って3Dプリントの鶏肉を調理

南極熊の3Dプリントパターン：「航空宇宙分野におけるレーザー3Dプリント技術の応用」

Li-Ning、カスタマイズされた3Dプリントスポーツシューズを発売

新しい液体3Dプリント技術はフレキシブル回路基板の製造に使用できる

推薦する

南アフリカの2Dアーティストがデジタル彫刻とコラボレーションし、3Dプリント技術を通じて3Dアートをより広い市場に提供

POLYMAKER、高速3Dプリント時代に向けた新素材を開発

独自の強みを生かして、化学大手が3Dプリント市場に参入

新しいポリマーが3Dプリント砂に超強度を与える

IDCは、世界の3Dプリント市場規模が2019年に267億ドルに達すると予測している。

光に反応する新しい3Dプリントの動的材料

北京で積層造形用新素材研究シンポジウム開催

木材 3D プリント技術で「魯班の夢」を実現

「3Dプリント医療機器規制と基準の学習とトレーニング」が上海で開催されました

英国の科学者が小学生向けに3Dプリントの給食を開発

ABS と Pelagus 3D が船舶用スペアパーツの積層造形技術で提携

工業情報化部が第5回産業技術基盤公共サービスプラットフォームの申請を組織

唐都病院の郭正院長チームが「腰椎5番腫瘍切除-3Dプリントによるカスタマイズされた人工椎体再建と内部固定」を成功裏に実施

3Dプリントされたグロリア[オズ]コアラハウスが広州K11でデビュー

南方科技大学：高平滑マイクロレンズアレイのDLP振動3Dプリント