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挑戰(zhàn)：澳大利亞研究員始終致力于研究不同的鳥類，以測量在過去100年間，它們?yōu)閼獙θ蜃兣霈F(xiàn)的體形變化。研究員們需要一種快速、精準又簡便的方式來記錄博物館收藏的86種鳥類、上千個鳥喙的精確尺寸。
解決方案：Artec Space Spider, Artec Studio
效果：使用手持式三維掃描儀Artec Space Spider，每只鳥都能在短短兩分鐘內(nèi)完成亞毫米級的彩色3D捕獲。這樣，只需去一次博物館就能完成30-50只鳥的掃描。每只鳥的掃描處理也只需要6分鐘不到。最終完成的掃描數(shù)據(jù)表明，在過去一個世紀，鳥喙大約變大了4%-10%。
博士生Sara Ryding用Artec Space Spider掃描澳洲粉紅鳳頭鸚鵡（Eolophus roseicapilla）（供圖：Sara Ryding）
全球變暖的嚴重影響已經(jīng)持續(xù)了幾十年：全球不少鳥類都在應對溫度上升的過程中出現(xiàn)了體形變化，包括喙、腿和其他部位，這表明它們和環(huán)境不斷斗爭，只為生存。
這種變化是如何幫助它們應對氣溫升高的，目前只能用鮮有人知的“艾倫法則”來解釋。19世紀，這條生物進化規(guī)則表明，溫暖氣候下的動物通常有更大的器官，如耳、喙、尾、四肢。
由于許多器官沒有被毛皮或羽毛覆蓋，所以這些結構本身起到了熱輻射器的作用，來散發(fā)熱量，讓身體降溫至舒適溫度。
火烈鳥的紅外圖顯示它們通過喙和腿來散熱（供圖：Glenn Tattersall）
非洲象利用耳部散熱，老鼠通過尾巴，而鳥類則通過喙和腿。
鳥類體溫調(diào)節(jié)原理
如果我們進一步探究鳥類天生的體溫調(diào)節(jié)功能，就會發(fā)現(xiàn)大自然是如此鬼斧神工，這種散熱模式十分高效。首先，是鳥類身體有效的調(diào)溫器——喙。如果不仔細觀察，你會以為鳥喙是由類似樹皮一樣的惰性材料構成的。
來自南非卡拉哈里沙漠的雌性南方黃嘴犀鳥（Tockus leucomelas）喙部含有大量血管（供圖：T. van de Ven, UCT）
其實，喙部也是活生生的器官，含有大量血管，有豐富的血管分支。舉個形象的例子，鳥類身體需要在睡眠時降溫，這時，它們會向喙部傳輸更多血液，將身體多余的熱量排出，使核心溫度降到有助于睡眠的水平。
顯然，對體形相當?shù)镍B類而言，喙部更大，散熱就更高效。
正在散熱的大西海海雀（Fratercula arctica）（供圖：Glenn Tattersall）
大致來說，為應對快速上升的溫度，一代代動物都需要根據(jù)身體比例增大部分器官的體積。但由于這種改變會造成身體對稱性的變化，從而造成體形改變。
鳥類體形變化的那些事
通常，鳥類的體形變化十分微小，必須通過測量過去幾十年的標本來判斷，這些標本幾乎都收藏于博物館，只有通過這種方式，才能對發(fā)生的體形變化做好量化工作。
過去的研究集中在某種或幾種特定鳥類上的進化過程。盡管現(xiàn)在的研究同樣揭示了鳥類這一快速變化的趨勢，但這次的研究覆蓋了86種鳥類，共計6000只鳥。
Artec Space Spider掃描的澳大利亞壯麗細尾鷯鶯（Malurus cyaneus）（供圖：Sara Ryding）
這項研究由澳大利亞墨爾本迪肯大學博士生Sara Ryding負責，她和同事們一起，專門從事澳大利亞鳥類研究。
為了測量鳥類標本時盡可能提高精度，Ryding的導師Matthew Symonds博士，決定采用三維掃描技術。
研究員Sara Ryding握著一只澳洲鳶（Elanus axillaris）（供圖：Sara Ryding）
Symonds了解了市面所有符合要求的三維掃描儀后，聯(lián)系了當?shù)氐陌Ｌ坪献魃?span>Objective3D。
公司專家為他推薦了Artec Space Spider，這是一款計量級精度的手持式三維掃描儀，受到許多研究人員和專家的青睞，適合處理對精度和分辨率要求高的任務。
Artec Space Spider
對比鳥類體形變化的傳統(tǒng)方式就是使用數(shù)字卡尺來計算喙部的長、寬、深度。隨后，將這些數(shù)值套入一個公式，計算同體積圓錐體的表面積。
Space Spider完整捕獲3D外形數(shù)據(jù)
Ryding提到，鳥喙有各種各樣的復雜外形，“如果把喙部簡化為一個圓錐，勢必會丟失幾何數(shù)據(jù)，無法記錄下重要的解剖表面數(shù)據(jù)?！?
她補充道：“我們關注很多不同種類，從鴨子、夜鶯到猛禽……只有在研究范圍擴大后，才能看到這些不同的喙部形狀。因此，我認為三維掃描技術更適合這樣的研究，因為我們可以完整采集自然形態(tài)的全部數(shù)據(jù)，不會有任何遺失?！?
準備用數(shù)字卡尺來測量澳洲紋翅食蜜鳥喙部（供圖：Sara Ryding）
手動測量的另一個問題就是操作誤差。在測量鳥類體形時，由于卡尺位置不同，哪怕是多位經(jīng)驗豐富、全神貫注的研究員，都會出現(xiàn)測量差異，從而對數(shù)據(jù)結果帶來大的影響。
數(shù)秒鐘成就高精測量
Ryding表示：“有了Artec Space Spider，我們可以將操作員的誤差降到很低，即便是由不同人員操作，每份掃描幾乎都是一樣的。這才是研究員希望看到的結果。數(shù)據(jù)集精度越高，相關性就體現(xiàn)得更清晰，這也有助于我們得出可靠的結論?！?
目前為止，Symond的研究已經(jīng)顯示，在過去一個世紀，鳥類喙部的體積已經(jīng)增加了約4%-10%。
就掃描效率來看，盡管新冠疫情封控政策導致無法多次前往博物館，但她還是在幾個月內(nèi)，掃描了3000多只鳥。她的終極目標是6000只。
掃描當天，Ryding都會有一到兩個明確目標。在館長的幫助下，她找到這些鳥類的具體位置，并根據(jù)標本收集的年份和地點來挑選部分進行掃描。
基本一個下午，她可以掃40-50只小鳥，或30-40只大鳥。
Artec Studio 截圖： Artec Space Spider掃描的澳洲粉紅鳳頭鸚鵡，未加紋理（供圖：Sara Ryding）
Ryding的掃描工作流程十分簡單：把鳥放在旋轉(zhuǎn)臺上，面朝上，仰面躺好。然后，緩慢轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺的同時，用Space Spider掃描，一次性采集喙部所有解剖結構。這一過程大約持續(xù)2分鐘，最后的掃描數(shù)據(jù)用途十分廣泛。
秒殺手動測量的3D數(shù)據(jù)效果
用Ryding的話說；“每份掃描提供的表面數(shù)據(jù)足夠我進行各種分析了，甚至還有可能用于今后其他研究，例如幾何形態(tài)測量。想到過去的傳統(tǒng)操作方法，就會發(fā)現(xiàn)，數(shù)字卡尺是絕無可能捕捉到這么詳細的表面數(shù)據(jù)的。
Artec Studio 截圖： Artec Space Spider掃描的澳洲粉紅鳳頭鸚鵡，帶紋理（供圖：Sara Ryding）
隨后，Ryding會在家或?qū)W校里用Artec Studio軟件處理掃描?？偟膩砜矗麄€處理流程每只鳥大約需要6分鐘。
對此，她進行了細致描述：“掃描處理流程如下：先進行整體配準，然后移除異常值，進行尖銳融合，可清晰保留所有微小的細節(jié)。隨后，應用紋理，即可清晰看出羽毛的根部和喙部開始的位置。隨后，刪除多余數(shù)據(jù)，只剩喙部?！?
在Artec Studio中分離澳洲粉紅鳳頭鸚鵡喙部以便測量（供圖：Sara Ryding）
隨后，使用Artec Studio中的測量工具，為喙部快速完成線性測量，并和數(shù)字卡尺的結果進行對比。
她繼續(xù)介紹后續(xù)步驟：“然后，我會進行一項卡尺無法完成的操作，也就是測量表面積，那么我得到的就是整個喙部的面積，而不是線條長度?！?
“Space Spider可以采集到喙部的微小平面和弧度，使表面積測算十分精準，可達毫米級以下。”
Ryding繼續(xù)說道：“我會直接使用這些測量數(shù)據(jù)，但如果我需要進行幾何或形態(tài)分析，那我或其他研究員也可以利用這些Space Spider的掃描數(shù)據(jù)，我只需把掃描以PLY文件導出，即可用于不同應用場景，完成不同任務?！?
Artec Space Spider捕獲的黃翅澳吸蜜鳥（Phylidonyris novaehollandiae）（供圖：Sara Ryding）
至于如何將這項研究的范圍擴大至其他國家，Ryding希望能有更多研究人員搜集數(shù)據(jù)，讓大家看到不同區(qū)域、大洲甚至半球的各種鳥類（或其他動物）體形變化的量化數(shù)據(jù)和對比分析。
三維掃描技術在生物研究領域發(fā)揮關鍵作用
在她看來，三維掃描是實現(xiàn)研究目標的必備工具：“如果我們想簡化研究過程，讓不同研究員可以直接對比，那么數(shù)據(jù)的精準度十分重要。手動測量法是不現(xiàn)實的?！?
Ryding補充道：“有了Space Spider，每只鳥的掃描時間只需幾分鐘，我們可以采集亞毫米級的表面數(shù)據(jù)和逼真紋理細節(jié)，甚至今后的工作需要都能滿足。”
Artec Space Spider掃描的澳洲綠鸝（Oriolus flavocinctus）（供圖：Sara Ryding）
對于那些無法獲得高效三維掃描儀的研究人員，Ryding和她的團隊正在通過比較公式估算值和Space Spider完成的3D尺寸模型，完善現(xiàn)有鳥類喙部尺寸估算公式（幾何法）。
具體方法就是找出8個重要的喙部獨立線段值。隨后，將這些值和同一樣本的3D模型對比，Ryding設計了新的公式，提高了喙部手動測量的精度。
Ryding仍在這一領域深耕，她計劃制定更多公式，覆蓋更多物種。
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