Case Study Hero Image

3D-tulostettu sarvikuonon kallo

Huipputeknologiat tarjoavat tutkijoille uutta tietoa

Teolliset kuvankäsittelymenetelmät ja 3D-tulostus mahdollistavat sukupuuttoon kuolleiden lajien herättämisen henkiin tiede- ja tutkimustarkoituksiin ja antavat uutta tietoa tällaisten lajien elinolosuhteista

Katsoessaan Jurassic Parkin kaltaisia elokuvia suurin osa paleontologeista ja tutkijoista keskittyy jännittävän juonen sijaan pohtimaan, miten Hollywoodin elokuvatuottajat ovat niin taitavia kauan sitten sukupuuttoon kuolleiden lajien käyttäytymisen ja liikkeiden jäljittelemisessä. Vuosikymmentenkin tutkimusten jälkeen useimmat alan asiantuntijat pystyvät esittämään vain epämääräisiä lausuntoja ankylosauruksen elämästä ja nämäkin tutkimustulokset ovat erittäin kiistanalaisia alan ammattilaisten keskuudessa.

Ongelmana on se, että eläinten jäänteiden perusteella pystytään päättelemään hyvin vähän näiden eläinten todellisista elinolosuhteista ja että faktojen esittäminen täysin pintapuolisen analyysin perusteella on vaikeaa. Tähän ongelmaan törmätään paleontologian lisäksi yhä enemmän muissakin biologisen tutkimuksen haaroissa. Ilmastonmuutoksen, elinympäristöjen häviämisen ja salametsästyksen myötä yhä useampaa luonnonvaraisen eläimistömme lajeista uhkaa sukupuutto tai ne ovat jo hävinneet maapallolta. Hiljattain sattuneen jo sukupuuttoon kuolleeksi luullun Wondiwoi-puukengurun uudelleenlöytymisen kaltaiset onnenpotkut ovat harvinaisia. Luotettavien tutkimustulosten saaminen vaatii luovuutta tutkimuskeskuksilta, kuten luonnon monimuotoisuus- ja evoluutiotutkimukseen keskittyvältä Hampurin yliopiston luonnontieteelliseltä museolta (CeNak).

Tutkijat hyötyvät uusimman röntgentekniikan tarjoamasta avusta. Viimeaikaiset kehitysaskeleet mahdollistavat lähestymistapoja, jollaisia ei voitu edes kuvitella kymmenen vuotta sitten. Erityisesti yksityiskohtaiset analyysit, joita saadaan käyttämällä nykypäivän korkearesoluutioista tietokonetomografiaa ja sen perusteella 3D-tulostettuja malleja, tarjoavat tieteelliselle perustutkimukselle monia täysin uudenlaisia mahdollisuuksia.

Digitoitu sarvikuono

Yhtä tällaisista luovista ratkaisuista uhanalaisten tai sukupuuttoon kuolleiden lajien tutkimisessa sovellettiin erääseen CeNakin tieteellisistä tutkimuskohteista. Näyttelyssä nimeltä ”Katoava perintö: maailma metsänä” oli tavoitteena kiinnittää huomiota erityisesti sumatransarvikuonoon. Arvioiden mukaan kyseistä lajia on jäljellä enää noin 100 yksilöä, ja tällaisen sarvikuonon kallo on ollut CeNakin omistuksessa 1920-luvulta saakka. Aikaisemmin oli kuitenkin vaikeaa tehdä tarkkoja johtopäätöksiä kallon luun rakenteesta ja anatomiasta.

 YXLON

CeNakin mammalogia- ja paleoantropologiaosaston johtajana toimiva professori Thomas Kaiser näki näyttelyn mahdollisuutena etsiä kumppaneita, jotka voisivat suorittaa kallosta tarkempia tutkimuksia. Asiantuntijan valinta yhteistyökumppaniksi oli teollisuusradiografiaan ja tietokonetomografiaan erikoistunut YXLON International. Tutkijan tavoitteena oli luoda kallosta 3D-malli, jonka tarkoituksena olisi kiinnittää näyttelyssä huomiota tämän erittäin uhanalaisen lajin vaaraan kuolla sukupuuttoon ja jota voitaisiin lisäksi hyödyntää nisäkästä koskevassa tieteellisessä tutkimuksessa.

Yxlonille, jonka alaa ovat enemmän valukappaleet, moottorit ja elektroniikka, tämä äärimmäisen haasteellinen tehtävä kertoo nopeasti kasvavasta kysynnästä sovelluksille luonnontieteiden alalla. Aikaisemmissa skannauksissaan Yxlon oli tutkinut vain pieniä eläimiä, kuten sammakoita, käärmeitä, fossiileja tai yksittäisiä eläinten elimiä. Tästä syystä moninkertaisesti suurikokoisemman sumatransarvikuonon kallon skannaaminen aiheutti huomattavan haasteen. ”Näin isoille malleille on käytettävä riittävän suurta järjestelmää ja erityisiä tallennustekniikoita parhaan mahdollisen resoluution saamiseksi”, kertovat tohtori André Beerlink ja Philip Sperling, joka toimii Yxlonin tieteen ja uusien materiaalien myyntipäällikkönä. Lopulta päätettiin käyttää YXLON FF85 CT -järjestelmää kaksoishelikaalitekniikalla, jossa kalloa pyöritettiin useita kertoja skannauksen aikana, jotta se voitiin kuvata kokonaan hyvällä resoluutiolla. Lopputuloksena saavutettiin professori Kaiserin kanssa työskennelleen tutkijaryhmän tavoite todentuntuisesta ja erittäin tarkasta digitaalisesta 3D-tilavuudesta, jolla voitiin simuloida biomekaanista käyttäytymistä.

Dr. Thomas Kaiser and Dr. Étienne Turpin

Mikrometrin tarkkuudella

Tomografian sekä raakatietiedoille ja skannaustiedostoille suoritetun pienen jälkikäsittelyn jälkeen voitiin ihailla lopputulosta. Yxlonin asiantuntijat olivat onnistuneet luomaan tarkan digitaalisen jäljennöksen sarvikuonon kallosta. Skannauksessa mukana olleet olivat yllättyneitä jäljennöksen uskomattomasta yksityiskohtaisuuden tasosta. Tietokonetomografiakuvauksen ja erityisen kaksoishelikaalitekniikan ansiosta oli mahdollista havaita ja toisintaa vain 100 mikrometrin kokoiset pienimmätkin rakenteet jopa kallon sisällä. Digitaalinen 3D-tilavuus tarjosi tutkijoille runsaasti uutta tietoa, jota ei oltu saatu selville aikaisempien tutkimusten aikana. Tutkijat saivat tietoa luun rakenteesta sekä kahden leukaosan biomekaanisista asennoista suhteessa toisiinsa. Tämän tiedon avulla he saivat todisteita eläimen iästä, ruokavaliosta ja elämäntavasta, jotka olivat tähän saakka olleet hämärän peitossa.

CeNakin näyttelyn lisäksi, jossa värillisen kallon avulla pyrittiin kiinnittämään huomiota tähän uhanalaiseen lajiin, digitaalista 3D-tilavuutta käytettiin myös leuan liikkeiden biomekaaniseen simulaatioon. Rajallisten elementtien simulointeja hyödyntämällä skannattua kalloa voitiin käyttää voimien jakaantumisen tutkimiseen leuassa ja kallossa. Tämän perusteella tehtiin johtopäätöksiä luun rakenteen morfologiasta, jonka avulla tutkijat pystyivät tekemään syvällisempiä olettamuksia eläimen elinolosuhteista. Sumatransarvikuonon tapauksessa tätä tietoa voitaisiin käyttää osoittamaan elinympäristöjä, jotka sopisivat uhanalaisen lajin uudelleenasettumiselle, ja parhaassa tapauksessa näin voitaisiin jopa estää lajin täydellinen sukupuutto.

Professori Kaiserin ja CeNak-näyttelyn kuraattoreiden kanssa työskennelleille tutkijoille skannattu kallo muodostaa perustan lisätutkimustyölle ja tuleville näyttelyille. Mutta myöskään Yxlonin osalta juttu ei päättynyt valmiiseen 3D-malliin.

Sumatran Rhino Skull Scan

Metsästysmuistoja ilman saalista – 3D-tulostuksella erittäin todentuntuinen jäljennös

Skannauksen korkeiden kustannusten sekä sen poikkeuksellisen laadun ja harvinaisuuden takia Yxlonille selvisi nopeasti, että tämän projektin avulla voitaisiin esitellä yrityksen uraauurtavien TT-järjestelmien mahdollisuuksia ja yrityksen asiantuntijuutta. Sumatransarvikuonon skannattua kalloa tulisi esitellä yrityksen tärkeänä saavutuksena. Yxlonin kollegat olivat kuitenkin asettaneet tiukan aikataulun, jos jäljennöstä aiottaisiin esitellä asianmukaisesti seuraavilla ammattimessuilla.

Etsiessään tietoa Internetistä liikematkalla New Yorkissa he löysivät Protolabsin, joka valmistaa räätälöityjä prototyyppejä ja piensarjoja käyttämällä materiaalia lisäävää valmistusmenetelmää sekä ruiskuvalua ja CNC-prosesseja. Matkalla heillä oli käytössään vain tallennettu 3D-malli kallosta, joten Protolabsin helppokäyttöinen tietojen lataus- ja verkkotilauspalvelu oli erittäin hyödyllinen. Yritys lupaa toimittaa lyhyessä ajassa jopa monimutkaiset tiedostot ja suunnitelmat laajalla materiaalivalikoimalla säilyttäen kuitenkin intuitiivisuuden ja helppokäyttöisyyden. Protolabsin asiantuntijat ottivat yhteyttä heti seuraavana päivänä keskustellakseen jatkosta, sillä tämäntyyppinen 3D-tulostus ei ollut heillekään arkipäivää.

Protolabsin asiantuntijat onnistuivat valmistamaan petollisen todentuntuisen jäljennöksen sumatransarvikuonon kallosta siitä huolimatta, että ammattimessut lähestyivät, 3D-tulostuksen toimitusaika oli lyhyt ja skannaukseen oli tehtävä pakollisia muutoksia, joilla varmistettiin lisäävän valmistusmenetelmän toteuttavuus. Mallista oli mahdollista tunnistaa alkuperäisen kallon pienimmätkin yksityiskohdat, vain materiaali oli eri. Luun sijaan 3D-tulostettu malli valmistettiin Accura Xtreme White 200 -materiaalista, joka on väriltään jonkin verran vaaleampaa, eikä mallissa ollut värjäytymiä. Philip Sperling ja tohtori André Beerlink olivat erittäin tyytyväisiä laatuun.

Asiakkaamme, kumppanimme ja me itse olimme innoissamme huomatessamme, että TT-skannauksista on mahdollista tehdä todellisia ja konkreettisia ja että Protolabs pystyi tulostamaan sumatransarvikuonon kallon erittäin tarkat yksityiskohdat vastaavalla laadulla. Protolabsin erittäin nopea käsittelyaika ja heiltä saamamme asiantuntevat neuvot tässä monimutkaisessa projektissa täydensivät positiivista kokemustamme yrityksen palveluista.

Tulevaisuudessa tällaisia 3D-tulostettuja malleja voidaan käyttää muussakin tarkoituksessa kuin pelkästään messuilla. Sumatransarvikuonon kallo on osoittanut, että TT-skannausta ja materiaalia lisäävää valmistusmenetelmää voidaan käyttää erittäin todentuntuisten jäljennösten luomiseen harvinaisista fossiileista. Tällaiset jäljennökset ovat mittaamattoman arvokkaita tutkimuksessa ja opetuksessa. Modernia teknologiaa hyödyntämällä voidaan tehdä oletuksia eläinten elinolosuhteista ja käyttäytymisestä. Samaan aikaan sen avulla voidaan luoda tutkimuskohteita, joita voidaan käyttää testeissä ja sellaisten elävien olentojen tutkimisessa, jotka eivät ole enää pitkiin aikoihin asuttaneet maapalloa. Myös Saksan Protolabsin toimitusjohtaja Daniel Cohn näkee asian näin: ”Vaikka fossiilien jäljentämisessä on erityiset haasteensa, vaivannäkö palkitaan voidessamme valmistaa niin todentuntuisen jäljennöksen. Olemme ylpeitä saadessamme palvella tiedettä jäljennöstemme avulla ja sitä kautta edesauttaa lajien säilymistä.”