Heb je ooit gewenst dat je in een rots kon reizen? Het klinkt misschien meer als magie dan wetenschap, maar wetenschappers van Princeton hebben een manier gevonden om het (bijna) waar te maken.

Met een industriële grinder en een camera met een superhoge resolutie, Princeton-geowetenschappers Adam Maloof en Akshay Mehra kunnen rotsmonsters deconstrueren en driedimensionale digitale versies maken waar wetenschappers vanuit elke hoek naar kunnen kijken. In aanvulling, ze hebben software ontwikkeld waarmee de computer afbeeldingen kan segmenteren en objecten kan isoleren zonder menselijke vooringenomenheid.

Door deze technologie te gebruiken in combinatie met gedetailleerde veldwaarnemingen, ze onderzochten een wezen met een dunne schil dat ongeveer 545 miljoen jaar geleden over een groot deel van de wereld leefde, Cloudina, algemeen overeengekomen om de allereerste "biomineralizer, " een organisme dat naast zacht weefsel ook een schelp of botten kan maken.

Terwijl eerdere onderzoekers hadden beweerd dat Cloudina rifbouwers waren, Maloof en Mehra waren in staat om hun 3D-reconstructie van de delicate buisachtige structuren van de wezens te gebruiken om te concluderen dat de fossielen uit andere gebieden waren getransporteerd, wat suggereert dat Cloudina slechts een ondergeschikte rol speelde in de vroegste rifsystemen. Hun werk verschijnt in het huidige nummer van de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Ik dacht dat we, als we naar binnen gingen, van alles zouden leren over deze geweldige eerste biomineralizer en eerste rifbouwer, maar Cloudina bleek meer een rifbewoner te zijn, " zei Maloof, een universitair hoofddocent geowetenschappen. Hij heeft zich nu gericht op de op één na oudste potentiële rifbouwer, een spons genaamd Archaeocyathid die ongeveer 520 miljoen jaar geleden leefde.

Cloudina bleek bestand te zijn tegen gedetailleerd onderzoek omdat de delicate behuizing te kwetsbaar is om fysiek uit de omringende kalksteen te extraheren, en het kon niet op afstand worden afgebeeld met traditionele röntgentomografietechnieken, die dichtheidsverschillen tussen het object van belang en het omringende materiaal vereisen. Omdat Cloudina chemisch identiek is aan kalksteen, de fossielen waren effectief onzichtbaar voor röntgenstralen.

Ontmoet GIRI

Bijna vijf jaar geleden, Maloof en Situ Studio-medewerker Brad Samuels verzamelde de technologie om te creëren wat hij nu "flipbooks, " digitale weergaven die door meer dan duizend flinterdunne plakjes door een rots bewegen. Bekend als "GIRI" of "de molen, "Het Princeton Grinding Imaging and Reconstruction Instrument is een antwoord op de al lang bestaande wens van geologen om te weten hoe rotsen er van binnen uitzien.

"Voor altijd - sinds Darwin - hebben mensen geprobeerd te achterhalen hoe fossielen er in 3D uitzien, als ze ingebed zijn in steen en het moeilijk is om ze eruit te krijgen, "Zei Maloof. "Mensen maakten in die tijd net zulke seriële secties - maar misschien niet op deze schaal - waar ze een klein stukje steen zouden wegslijpen, teken Het, nog wat malen, teken Het. ... Het kan ongelooflijk tijdrovend zijn."

Voer GIRI in, die plakjes van enkele microns (minder dan 1 procent van een millimeter) kan snijden en wekenlang 24 uur per dag kan draaien. Aangezien elk plakje ongeveer 90 seconden nodig heeft om te snijden en af ​​te beelden, onderzoekers moeten kiezen tussen snelheid en schaal. De meeste exemplaren die Maloof en Mehra hebben gefotografeerd, zijn in plakjes van 30 micron gesneden, ongeveer een derde van de dikte van een mensenhaar. Een typische inch-dikke, 1, 500-slice monster duurt ongeveer anderhalve dag om te malen en af ​​te beelden; gedurende deze periode, de machinist hoeft machinevloeistoffen slechts één keer te vervangen en de wissers (die het oppervlak na elke snede reinigen) te reinigen.

"Het proces is destructief, ' zei Maloof. 'Dinosaurusbotten, maanmonsters - er zijn bepaalde exemplaren die mensen ons minder snel zullen geven. Het heeft ons niet echt tegengehouden, omdat de meeste monsters niet kostbaar zijn. Cloudina, er zijn er ontelbare van - we zouden ze nooit allemaal kunnen vermalen."

GIRI kan een 3D-weergave maken van elk vast object, of het de dichtheidsverschillen heeft die nodig zijn voor effectieve röntgencomputermicrotomografie (meestal bekend als röntgen-CT of Micro-CT). In aanvulling, omdat je bij elk plakje een superhoge resolutie foto maakt, je ziet altijd de rots zelf, niet alleen het dichtheidsmodel dat remote sensing kan bieden.

"Natuurlijk is het destructief, dat is het nadeel, maar wat zo leuk is, is dat je foto's te zien krijgt en directe observaties doet, Maloof. "Dat is wat mijn leven zo heeft veranderd:ik vind het geweldig dat het geen model is. Je kunt het gewoon zien. Op een bepaald stuk, als je iets geweldigs vindt, je kunt het plakje gewoon vinden en zeggen, 'Hoe zag het eruit?' ...We zijn op een virtuele tour binnen, in plaats van naar golfvormen te kijken en ze te proberen te interpreteren."

En hoewel GIRI het monster verpulvert, het behoudt elk detail in zijn afbeeldingen met hoge resolutie, Maloof zei, wat het aantoonbaar minder destructief maakt dan andere benaderingen. Het bewaart ook de structurele informatie die onthult hoe de rotsen zijn gevormd. "Als mensen hebben geprobeerd 3D-informatie te krijgen van dergelijke rotsen die ondoorzichtig zijn voor röntgenstralen, ze hebben altijd geprobeerd het materiaal op te lossen. Maar dan verlies je alle in-situ informatie. Je weet niet hoe ze zijn gegroeid. Ze hebben geen relatie met elkaar. En je weet niet hoe ze zich verhouden tot misschien kleinere of minder veerkrachtige onderdelen. Bij voorkeur lost u de versiering of andere belangrijke details op. Dus dit is een manier om ze in hun leefgebied te houden terwijl ze proberen te achterhalen hoe ze eruit zagen."

In de jaren sinds Maloof GIRI verzamelde, hij en zijn onderzoeksteam hebben fysieke verbeteringen aangebracht. Deze omvatten het opnieuw ontwerpen en vervangen van de camerabehuizing, evenals het mechanisme voor het afvegen en voorbereiden van het rotsoppervlak om te fotograferen na elke slijpbeurt. Ze hebben ook monitoren voor temperatuur en vochtigheid geïnstalleerd om de omstandigheden tijdens elke foto vast te leggen. De onderzoekers verkortten ook de maaltijd per schijfje van zeven minuten naar 90 seconden. De grootste veranderingen, Hoewel, hebben software verbeterd om de machine te laten werken en de output te analyseren.

Met behulp van een verzameling interactieve MATLAB-scripts en Applescript-functies, de regelcomputer kan nu signalen van de molen zenden en ontvangen, activeer de sluiter, en verifieer het vastleggen van afbeeldingen, terwijl GIRI in bedrijf is, zei Mehra.

"Van de grond af, Akshay heeft machine learning-oplossingen ontworpen om het proces van beeldsegmentatie mogelijk te maken - fossielen onderscheiden van matrix, cement, enzovoort., in elk segment—geautomatiseerd en betrouwbaar, " zei Maloof. "Hij heeft technieken ontwikkeld die uiteindelijk belangrijk zullen zijn voor tomografische toepassingen, inclusief X-ray CT. Akshay heeft ook manieren ontwikkeld om kwantitatieve metingen te doen in de gereconstrueerde 3D-volumes. Je zou er versteld van staan ​​hoeveel 3D-modellering alleen leidt tot visualisatie en kwalitatieve interpretatie, overwegende dat Akshay eigenlijk de grootte meet, vorm en 3D-oriëntatie van deze beestjes."

Met behulp van de software die hij heeft ontwikkeld, "We kunnen deze Cloudina-exemplaren direct meten, " zei Mehra. "We kunnen direct meten in welke richting de buizen buigen, wat hun diameters zijn, wat hun krommingen zijn - geen van hen is echt recht - en op basis van die informatie, we kunnen bepalen of ze in situ zijn of niet in situ."

Mehra heeft ook neurale netwerken ontworpen om steensoorten te identificeren aan de hand van hun visuele eigenschappen:kleur en textuur. Nadat de gebruiker heeft gedefinieerd welke "klassen" aanwezig zijn in een handvol afbeeldingen van de stapel -fossiel versus matrix, bijvoorbeeld, of de belangrijkste mineralen in een metamorf gesteente - het netwerk kan dan met een nauwkeurigheid van meer dan 90 procent voorspellen of een pixel tot een bepaalde klasse behoort.

En met dat alles, hij zei, niet-gegradueerde en afgestudeerde studenten kunnen doorgaans in ongeveer een dag worden getraind om GIRI te runnen.

Wetenschappers van over de hele wereld hebben Maloof en Mehra benaderd om virtuele, visuele rondleidingen in hun eigen exemplaren. Paleontologen hopen de delicate structuren van het vroegste leven op aarde te onderzoeken, het enorme aanbod van vroeg gepelde wezens, de eerste vis, de eerste landdieren, de interne structuur van ammonieten en andere organismen met interne drijfsystemen, en zelfs dinosaurusbotten. Planetaire wetenschappers zijn begonnen meteorieten te onderzoeken met GIRI om te kijken naar kleine korrels die chondrulen worden genoemd en die hints bevatten over hoe de planeten zijn gevormd. Ingenieurs testen mogelijke reservoirgesteenten voor koolstofvastlegging en vermalen grafietbatterijen om de 3D-structuur van porositeit in de koolstof te onderzoeken.

Er is echt geen limiet aan de bijdragen die GIRI kan leveren, zei Maloof. "Dit vertegenwoordigt vijf jaar werk. Het is het enige instrument ter wereld dat het leuk vindt."