使用Artec 3D扫描仪探索灭绝物种袋狼的真实体型

几百万年的进化使袋狼成为野外生存专家。袋狼是自然界中最大的食肉性有袋动物，在进化过程中为自己开辟了一块专门的栖息地。但很快，最早一批殖民者出现了。

主要研究员Douglass Rovinsky使用Artec Space Spider在维多利亚女王博物馆和艺术馆扫描袋狼头骨

几十年后，从1830年代早期开始一直到20世纪，几千头袋狼，也称塔斯马尼亚虎，被农民和猎人大规模猎杀，直到只剩最后一只。

它在野外被捕后关在动物园，度过了生命的最后三年。之后，在某个冬日上午，塔斯马尼亚所知的最后一只袋狼本杰明，因意外被关兽舍外过夜而死亡。事情发生在1936年9月。而袋狼死亡的59天前，塔斯马尼亚刚刚为袋狼授予保护动物的地位。

研究员、数字艺术家Damir Martin为袋狼制作的数字形象

最后一只袋狼离世前的许多年，一直流传着有关袋狼的千奇百怪的传说，人们认为它们凶猛残酷，生存能力极强，拥有如北欧神话中狂战士般的顽强体力，能抵御枪林弹雨，甚至还能耗干猎物身上的血液等等。

与此同时，在袋狼还未灭绝，还漫步于塔斯马尼亚土地上时，科学家未能真正对它们展开研究。直到今天，本杰明离开后不到100年，尽管世人对袋狼更为关注，但还有很多科学家无法解释的真相和细节。

Damir Martin创作的一对袋狼数字形象

像袋狼的饮食、交配、捕猎、移动习惯、生活习性，甚至体重，我们都不知道。而袋狼的体重是深入研究其他方面的基础信息。这就涉及到了基础化学和生理学知识。

袋狼燃烧多少能量？它们储存热量吗？消化食物的速度多快？多久进一次食？它们捕猎哪种动物？自然界中繁殖能力如何？要完全解答这些问题，我们首先要知道袋狼的体重。

各学科之间总是相互依存，也就是说，除非我们彻底搞明白了“概念A”，才会停止对它的误解，同时解决有赖于“概念A”的其他相关概念。

Damir Martin制作的一对袋狼数字形象

在研究袋狼的几十年里，多位科学家多次指出缺乏准确体重估算的问题。但之后，并没人解决这个问题，导致很多人都基于25-29公斤的错误估计值进行研究。而且这个估算没有得到证实。

袋狼研究中另一个需要解决的重要问题就是袋狼是否违背“食肉动物能量消耗”（The costs of carnivory）定律。该定律规定了动物能量分配阈值，14公斤或以下的食肉动物一般会以比自己体形小的猎物为食。

但如果食肉动物体重高达21公斤或以上，如狼和美洲豹，通常会以体型和自己相当或更大的猎物为食。对于体重为14-21公斤的食肉动物而言，比如狐狸和野猫，通常以小型动物为食，但偶尔也会猎食稍大的动物。

Damir Martin制作的袋狼数字形象

不了解袋狼的真实体重，那么这个问题，包括其他一些难题，都无法得到科学可靠的解释。

莫纳什大学PhD学生Douglass Rovinsky和包括Justin W. Adams博士在内的四人研究团队意识到这一问题的迫切性，开始着手解决。

这一项目的细节发表在Royal Society Proceedings B科学杂志的《Did the thylacine violate the costs of carnivory? Body mass and sexual dimorphism of an iconic Australian marsupial》一文中。

Rovinsky评价了项目的重要性，“像其他灭绝物种一样，对袋狼了解的越多，就越能帮助我们了解现有物种，了解它们是如何应对环境变化的，目前，世界各地的自然界环境都在发生急速改变。”

这项研究需要他们前往世界各地，在史密森学会等东西方博物馆和研究院内，对现存袋狼标本开展研究。

Rovinsky及其团队很早就意识到，单纯依赖传统的体重估算方式，即通过测量袋狼牙齿进行线性回归，这种方式对灭绝动物而言通常错误率较高。

为提高准确率，最好有一只和袋狼高度相似的活物。袋狼关系最近的近亲是袋食蚁兽，约1磅（0.5公斤）重，身材小巧，身披软毛，以白蚁为食。这样即可对两者进行等比例缩放。

Rovinsky及其团队决定同时使用多种体重测算方法，包括：牙齿和上臂/大腿骨的线性回归，围绕袋狼骨骼3D模型制作凸包，之后根据数码扫描雕刻栩栩如生的袋狼形象，最后，对扫描后的模型以及雕刻后的袋狼模型（和凸包一样根据骨架扫描模型制成）进行数字称重。

上排从左往右：Artec Leo扫描的袋狼骨架和用于数字称重的骨骼凸包体模型
下排：雕刻后的3D袋狼体模型（带纹理与不带纹理版），用于数字称重

为顺利完成这项大工程，在多相全谱分析前，他们需要为几百件袋狼模型进行3D扫描，并制成高精度3D模型，以便采集绝对准确的测量值。

组织安排是Rovinsky及其团队所面临的一大挑战：所有标本来自全球18家不同的博物馆和研究所，包括墨尔本本地博物馆、澳大利亚和塔斯马尼亚的几家博物馆，以及美国、欧洲、英国的几家博物馆。

为方便在这些旅途中完成袋狼标本的数字采集并用于体重分析，Rovinsky和Adams使用了一款精度达亚毫米级的轻质手持式3D扫描仪Artec Space Spider。两位研究员分头前往不同博物馆和研究所，完成了几百件标本的扫描：骨骼、头骨、骨架、剥制袋狼标本、保存完整的袋狼标本。

Justin W. Adams博士在瑞典自然历史 博物馆用Artec Space Spider扫描保存完整的母袋狼标本

项目启动前，Rovinsky和Adams决定不采用卡尺等传统测量方式，也不采用GDI和摄影测量法这些现代方式。访问每家博物馆的时间极为有限，而且操作过度也会为标本带来不必要的伤害。

以往的方式非常耗时，还得每天麻烦博物馆工作人员看上几个小时。但结果又不尽如人意，和Artec Space Spider 3D扫描的效果相去甚远。

传统方式的弊端在于，操作人员需要在测量过程中反复摆放标本。但有了Artec Space Spider，数据捕获准确度高达0.5毫米，比其他方式快了几十倍，而且操作步骤也可忽略不计。

Justin W. Adams博士在瑞典自然历史博物馆用Artec Space Spider以亚毫米级精度对母袋狼标本进行3D采集

和以往经历相比，Rovinsky说，博物馆工作人员发现扫描时间很短，而且对标本风险极低后，简直“喜出望外”，因为只要几分钟，不会影响他们的正常工作。不过，即使扫描很快，博物馆馆长和其他工作人员也会出于好奇，选择留下旁观Space Spider的扫描过程。

“看到Space Spider操作起来如此迅速简单，他们都十分惊讶。和其他不使用Space Spider的研究人员不同，我们对环境要求不高。不用很大的场地，不用控制光线，也不需要占用他们太多时间，” Rovinsky说道。

Rovinsky还提到，博物馆工作人员在见到Space Spider之前就被震惊了，“工作人员说，这里有12件标本，我们会说，接下来12小时就能搞定，什么时候再给12件？只能说他们总觉得数据采集要很久。”

Rovinsky在用Space Spider采集动物标本时，也不断优化工艺。扫描简单物体时，比如狼或袋狼的前肢骨骼，他说，“这个处理起来相对快捷轻松，每件标本只要几分钟。通常每件标本我扫三次。把标本放在小型便携旋转台上，然后扫描几圈。每次扫描大概采集400帧左右。然后把标本翻一面，重复一遍。”

主要研究员Douglass Rovinsky在维多利亚女王博物馆和美术馆用Artec Space Spider扫描袋狼

扫描头骨时，有些标本很简单，但有些就很难捕获完整。“尤其是大型头骨，可能要9份扫描才能采集完整。这种标本的难点在于头骨内侧的扫描，这些部位很难触及，通常需要多次扫描，才能完整捕获颌骨、颧骨、眼眶等部位，”Rovinsky说道。

Rovinsky一般都是离开博物馆后进行Artec Studio扫描处理的，“所有编辑融合工作都是之后进行的。我已经养成习惯了，尽可能不打扰博物馆人员。所以，到馆扫描，扫完离开。所有扫描处理都是事后进行的。”

他继续补充道，“我只要带上Space Spider就行，一整个下午，我能完成20-30份标本扫描。所以，出差收集一次数据，过几个礼拜，我就能带回几百份清晰准确的标本扫描，细节丰富，足以完成工作。”

Rovinsky介绍了Artec Studio的处理流程：“首先手动对齐扫描，然后进行几何全局配准。然后进行尖锐融合，根据物体尺寸选择分辨率。基本上小于狗头大小的，选0.1，更大的标本选0.2。”

他继续说道，“然后我开始跑一到两次平滑算法。然后进行快速网格简化，精简到60万个三角形。最后的60万个三角形在数量上也足够了。当然，60万和150万个三角形头骨间存在分辨率差异，但这种差异对古生物学而言是否有意义就另说了。”

项目下一阶段，Rovinsky与墨尔本Artec金牌授权经销商Thinglab 合作，使用Artec Leo完整扫描了塔斯马尼亚博物馆和美术馆里的袋狼标本，这是一款搭载内置触屏的3D扫描仪，100%无线设计。这些扫描采集了博物馆几套袋狼骨架和全身剥制模型。这些数字骨架之后被用来构建凸包，作为数字雕刻的基础。

Thinglab的Ben Myers在塔斯马尼亚博物馆和美术馆用Artec Leo扫描袋狼骨架

Thinglab的3D扫描总监Ben Myers表示，“我们很喜欢Leo，和自己的客户一样，我们已经应用于很多项目了。Leo诸多功能也让Thinglab工作的我们大吃一惊。过去曲面配准的问题不少，但VCSEL光技术大不一样。”

在塔斯马尼亚博物馆和美术馆用Artec Leo扫描制成的袋狼3D模型

他继续说道，“追踪功能非常优秀，可以围绕物体转动，哪怕物体几何复杂也无妨，可以轻松捕获每个曲面。当然，无线设计加上内置显示屏也使扫描流程变得尤为简单高效。”

Thinglab的Ben Myers在塔斯马尼亚博物馆和美术馆用Artec Leo扫描袋狼剥制标本

项目最后阶段，Rovinsky找到团队成员，数字艺术家Damir Martin。Martin非常善于描绘古世界，很快便开始创作栩栩如生的袋狼3D形象。

值得注意的是，进行本项目前，Martin早已深入研究过袋狼，已经创作了很多以塔斯马尼亚自然界为背景的袋狼形象，效果不错。

Martin的创作以骨架和剥制标本的Leo扫描形象为基础。加上自己对袋狼的深刻认识和Rovinsky、Adam的帮助，他在ZBrush中一步步为每只袋狼的肌肉组织和外貌进行数字雕塑。形象创作完成后，进行数字称重，这些测量数据会和其他体重估算值一起用于其他研究。

Damir Martin创作的袋狼3D形象，达到解剖学级别准确度

Martin这样评价自己的工作：“我一直对灭绝动物很感兴趣。袋狼在很多方面都很特别，它们的样子就独特且神秘。遗憾的是，很多对袋狼的形象修复，从艺术角度而言，没有表现出这种生物外貌的微妙之处。”

“但事实上，我们依靠一些罕见的照片和录像，得知了袋狼的真实外形。所以这个极具挑战性的项目对我来说很有吸引力。”

借助体重估测（由93头袋狼的207份扫描计算得出），Rovinsky及其团队断定公袋狼实际体重约为19公斤（41.9磅），母袋狼为14公斤（30.9磅）。也就是说，公袋狼比母袋狼重30%。

对比过去几十年来对袋狼体重的错误估计，Rovinsky研究团队得出的公母袋狼体重大概只有过去的55%。所以，很显然，袋狼没有违反“食肉动物消耗”定律，它们属于中型食肉动物，约为14-31公斤（30.9-46.3磅），通常以小型动物为食，偶尔捕杀大型动物。

该项目只是袋狼进化生物学研究的一小部分，不仅包括这项针对袋狼体重的研究，还包括使用全球采集的3D数据样本，对袋狼饮食结构、运动能力和袋狼生物特征展开调查研究。

Adam谈及3D扫描对这类研究的重要性时，他表示：“古生物学家终于开始认识到三维模型可以推算出更准确的体重，哪怕只是在电脑上进行电子测算，我们仍然可以测量物体外形，和以往通过回归线绘制变量的方式不同。”

“3D科技彻底改变了我们对灭绝动物体型测算的认知。我认为，未来这样的应用实践会越来越多。而且Artec Space Spider和Leo操作简单便捷，可精准捕获这类数据，其潜力不可低估。”

Rovinsky评价了数据在其中的关键作用。“研究的难点在于，我们需要充足的数据才能生成生物体的完整3D形象，而对很多古生物学家而言，这是不可能的。”

“如果只有几份标本，也没有完整骨架的话，是无法实现这样的准确度的。大多数古生物学家甚至没有一块完整的骨骼，更不用说完整骨架了。即便如此，我们依然可以使用Artec扫描仪轻松采集我们需要的海量标本数据。”

Rovinsky还谈到了本项目的深远意义，“我们当然希望能尽可能了解袋狼的真实情况，因为毕竟所有数据、观察结果和我们得出的结论，都是二手的，很遗憾，我们再也接触不到活生生的袋狼了。”

他继续补充道，“所有研究数据都要符合我们的观察结果、理论解释和测量值等等。这也反应出对袋狼体重的认知有多重要。这一看似微不足道的数值，会影响大量有赖于这一数据的其他研究。”