挑戰(zhàn)：對(duì)幾百塊袋狼骨骼、頭骨、骨架的尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)3D數(shù)字采集，它們是全球各地博物館保存完整的袋狼剝制模型，并利用這些數(shù)據(jù)精準(zhǔn)測(cè)算滅絕物種的體重范圍。

解決方案：Artec Space Spider、Artec Leo、Artec Studio、ZBrush

效果：掃描完幾百塊袋狼標(biāo)本的高清3D掃描后，科研團(tuán)隊(duì)一塊塊測(cè)量了每塊標(biāo)本，并將完整的袋狼骨架3D掃描數(shù)字雕刻成逼真的袋狼3D模型，用于進(jìn)行數(shù)字稱重。研究人員最終準(zhǔn)確算出了袋狼體重范圍，發(fā)現(xiàn)和以往的測(cè)算差距很大。

幾百萬(wàn)年的進(jìn)化使袋狼成為野外生存專家。袋狼是自然界中*大的食肉性有袋動(dòng)物，在進(jìn)化過(guò)程中為自己開(kāi)辟了一塊專門(mén)的棲息地。但很快，一批殖民者出現(xiàn)了。

幾十年后，從1830年代早期開(kāi)始一直到20世紀(jì)，幾千頭袋狼，也稱塔斯馬尼亞虎，被農(nóng)民和獵人大規(guī)模獵殺，直到只剩最后一只。

它在野外被捕后關(guān)在動(dòng)物園，度過(guò)了生命的最后三年。之后，在某個(gè)冬日上午，塔斯馬尼亞所知的最后一只袋狼本杰明，因意外被關(guān)獸舍外過(guò)夜而死亡。事情發(fā)生在1936年9月。而袋狼死亡的59天前，塔斯馬尼亞剛剛為袋狼授予保護(hù)動(dòng)物的地位。

最后一只袋狼離世前的許多年，一直流傳著有關(guān)袋狼的千奇百怪的傳說(shuō)，人們認(rèn)為它們兇猛殘酷，生存能力強(qiáng)，擁有如北歐神話中狂戰(zhàn)士般的頑強(qiáng)體力，能抵御槍林彈雨，甚至還能耗干獵物身上的血液等等。

與此同時(shí)，在袋狼還未滅絕，還漫步于塔斯馬尼亞土地上時(shí)，科學(xué)家未能真正對(duì)它們展開(kāi)研究。直到今天，本杰明離開(kāi)后不到100年，盡管世人對(duì)袋狼更為關(guān)注，但還有很多科學(xué)家無(wú)法解釋的真相和細(xì)節(jié)。像袋狼的飲食、交配、捕獵、移動(dòng)習(xí)慣、生活習(xí)性，甚至體重，我們都不知道。而袋狼的體重是深入研究其他方面的基礎(chǔ)信息。這就涉及到了基礎(chǔ)化學(xué)和生理學(xué)知識(shí)。

袋狼燃燒多少能量？它們儲(chǔ)存熱量嗎？消化食物的速度多快？多久進(jìn)一次食？它們捕獵哪種動(dòng)物？自然界中繁殖能力如何？要解答這些問(wèn)題，我們首先要知道袋狼的體重。

各學(xué)科之間總是相互依存，也就是說(shuō)，除非我們徹*搞明白了“概念A(yù)”，才會(huì)停止對(duì)它的誤解，同時(shí)解決有賴于“概念A(yù)”的其他相關(guān)概念。 

在研究袋狼的幾十年里，多位科學(xué)家多次指出缺乏準(zhǔn)確體重估算的問(wèn)題。但之后，并沒(méi)人解決這個(gè)問(wèn)題，導(dǎo)致很多人都基于25-29公斤的錯(cuò)誤估計(jì)值進(jìn)行研究。而且這個(gè)估算沒(méi)有得到證實(shí)。

袋狼研究中另一個(gè)需要解決的重要問(wèn)題就是袋狼是否違背“食肉動(dòng)物能量消耗”（The costs of carnivory）定律。該定律規(guī)定了動(dòng)物能量分配閾值，14公斤或以下的食肉動(dòng)物一般會(huì)以比自己體形小的獵物為食。

但如果食肉動(dòng)物體重高達(dá)21公斤或以上，如狼和美洲豹，通常會(huì)以體型和自己相當(dāng)或更大的獵物為食。對(duì)于體重為14-21公斤的食肉動(dòng)物而言，比如狐貍和野貓，通常以小型動(dòng)物為食，但偶爾也會(huì)獵食稍大的動(dòng)物。不了解袋狼的真實(shí)體重，那么這個(gè)問(wèn)題，包括其他一些難題，都無(wú)法得到科學(xué)可靠的解釋。

莫納什大學(xué)PhD學(xué)生Douglass Rovinsky和包括Justin W. Adams博士在內(nèi)的四人研究團(tuán)隊(duì)意識(shí)到這一問(wèn)題的迫切性，開(kāi)始著手解決。

這一項(xiàng)目的細(xì)節(jié)發(fā)表在Royal Society Proceedings B科學(xué)雜志的《Did the thylacine violate the costs of carnivory? Body mass and sexual dimorphism of an iconic Australian marsupial》一文中。

Rovinsky評(píng)價(jià)了項(xiàng)目的重要性，“像其他滅絕物種一樣，對(duì)袋狼了解的越多，就越能幫助我們了解現(xiàn)有物種，了解它們是如何應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的，目前，世界各地的自然界環(huán)境都在發(fā)生急速改變。”

這項(xiàng)研究需要他們前往世界各地，在史密森學(xué)會(huì)等東西方博物館和研究院內(nèi)，對(duì)現(xiàn)存袋狼標(biāo)本開(kāi)展研究。

Rovinsky及其團(tuán)隊(duì)很早就意識(shí)到，單純依賴傳統(tǒng)的體重估算方式，即通過(guò)測(cè)量袋狼牙齒進(jìn)行線性回歸，這種方式對(duì)滅絕動(dòng)物而言通常錯(cuò)誤率較高。

為提高準(zhǔn)確率，最好有一只和袋狼高度相似的活物。袋狼關(guān)系最近的近親是袋食蟻獸，約1磅（0.5公斤）重，身材小巧，身披軟毛，以白蟻為食。這樣即可對(duì)兩者進(jìn)行等比例縮放。

Rovinsky及其團(tuán)隊(duì)決定同時(shí)使用多種體重測(cè)算方法，包括：牙齒和上臂/大腿骨的線性回歸，圍繞袋狼骨骼3D模型制作凸包，之后根據(jù)數(shù)碼掃描雕刻栩栩如生的袋狼形象，最后，對(duì)掃描后的模型以及雕刻后的袋狼模型（和凸包一樣根據(jù)骨架掃描模型制成）進(jìn)行數(shù)字稱重。

下排：雕刻后的3D袋狼體模型（帶紋理與不帶紋理版），用于數(shù)字稱重

為順利完成這項(xiàng)大工程，在多相全譜分析前，他們需要為幾百件袋狼模型進(jìn)行3D掃描，并制成高精度3D模型，以便采集絕對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量值。

組織安排是Rovinsky及其團(tuán)隊(duì)所面臨的一大挑戰(zhàn)：所有標(biāo)本來(lái)自全球18家不同的博物館和研究所，包括墨爾本本地博物館、澳大利亞和塔斯馬尼亞的幾家博物館，以及美國(guó)、歐洲、英國(guó)的幾家博物館。

為方便在這些旅途中完成袋狼標(biāo)本的數(shù)字采集并用于體重分析，Rovinsky和Adams使用了一款精度達(dá)亞毫米級(jí)的輕質(zhì)手持式3D掃描儀Artec Space Spider。兩位研究員分頭前往不同博物館和研究所，完成了幾百件標(biāo)本的掃描：骨骼、頭骨、骨架、剝制袋狼標(biāo)本、保存完整的袋狼標(biāo)本。

項(xiàng)目啟動(dòng)前，Rovinsky和Adams決定不采用卡尺等傳統(tǒng)測(cè)量方式，也不采用GDI和攝影測(cè)量法這些現(xiàn)代方式。訪問(wèn)每家博物館的時(shí)間極為有限，而且操作過(guò)度也會(huì)為標(biāo)本帶來(lái)不必要的傷害。

以往的方式非常耗時(shí)，還得每天麻煩博物館工作人員看上幾個(gè)小時(shí)。但結(jié)果又不盡如人意，和Artec Space Spider 3D掃描的效果相去甚遠(yuǎn)。

傳統(tǒng)方式的弊端在于，操作人員需要在測(cè)量過(guò)程中反復(fù)擺放標(biāo)本。但有了Artec Space Spider，數(shù)據(jù)捕獲準(zhǔn)確度高達(dá)0.5毫米，比其他方式快了幾十倍，而且操作步驟也可忽略不計(jì)。

和以往經(jīng)歷相比，Rovinsky說(shuō)，博物館工作人員發(fā)現(xiàn)掃描時(shí)間很短，而且對(duì)標(biāo)本風(fēng)險(xiǎn)極低后，簡(jiǎn)直“喜出望外”，因?yàn)橹灰獛追昼姡粫?huì)影響他們的正常工作。不過(guò)，即使掃描很快，博物館館長(zhǎng)和其他工作人員也會(huì)出于好奇，選擇留下旁觀Space Spider的掃描過(guò)程。

“看到Space Spider操作起來(lái)如此迅速簡(jiǎn)單，他們都十分驚訝。和其他不使用Space Spider的研究人員不同，我們對(duì)環(huán)境要求不高。不用很大的場(chǎng)地，不用控制光線，也不需要占用他們太多時(shí)間，” Rovinsky說(shuō)道。

Rovinsky還提到，博物館工作人員在見(jiàn)到Space Spider之前就被震驚了，“工作人員說(shuō)，這里有12件標(biāo)本，我們會(huì)說(shuō)，接下來(lái)12小時(shí)就能搞定，什么時(shí)候再給12件？只能說(shuō)他們總覺(jué)得數(shù)據(jù)采集要很久。”

Rovinsky在用Space Spider采集動(dòng)物標(biāo)本時(shí)，也不斷優(yōu)化工藝。掃描簡(jiǎn)單物體時(shí)，比如狼或袋狼的前肢骨骼，他說(shuō)，“這個(gè)處理起來(lái)相對(duì)快捷輕松，每件標(biāo)本只要幾分鐘。通常每件標(biāo)本我掃三次。把標(biāo)本放在小型便攜旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，然后掃描幾圈。每次掃描大概采集400幀左右。然后把標(biāo)本翻一面，重復(fù)一遍。”

掃描頭骨時(shí)，有些標(biāo)本很簡(jiǎn)單，但有些就很難捕獲完整。“尤其是大型頭骨，可能要9份掃描才能采集完整。這種標(biāo)本的難點(diǎn)在于頭骨內(nèi)側(cè)的掃描，這些部位很難觸及，通常需要多次掃描，才能完整捕獲頜骨、顴骨、眼眶等部位，”Rovinsky說(shuō)道。

Rovinsky一般都是離開(kāi)博物館后進(jìn)行Artec Studio掃描處理的，“所有編輯融合工作都是之后進(jìn)行的。我已經(jīng)養(yǎng)成習(xí)慣了，盡可能不打擾博物館人員。所以，到館掃描，掃完離開(kāi)。所有掃描處理都是事后進(jìn)行的。”

他繼續(xù)補(bǔ)充道，“我只要帶上Space Spider就行，一整個(gè)下午，我能完成20-30份標(biāo)本掃描。所以，出差收集一次數(shù)據(jù)，過(guò)幾個(gè)禮拜，我就能帶回幾百份清晰準(zhǔn)確的標(biāo)本掃描，細(xì)節(jié)豐富，足以完成工作。”

Rovinsky介紹了Artec Studio的處理流程：“首先手動(dòng)對(duì)齊掃描，然后進(jìn)行幾何全局配準(zhǔn)。然后進(jìn)行尖銳融合，根據(jù)物體尺寸選擇分辨率。基本上小于狗頭大小的，選0.1，更大的標(biāo)本選0.2。”

他繼續(xù)說(shuō)道，“然后我開(kāi)始跑一到兩次平滑算法。然后進(jìn)行快速網(wǎng)格簡(jiǎn)化，精簡(jiǎn)到60萬(wàn)個(gè)三角形。最后的60萬(wàn)個(gè)三角形在數(shù)量上也足夠了。當(dāng)然，60萬(wàn)和150萬(wàn)個(gè)三角形頭骨間存在分辨率差異，但這種差異對(duì)古生物學(xué)而言是否有意義就另說(shuō)了。”

項(xiàng)目下一階段，Rovinsky與墨爾本Artec金牌授權(quán)經(jīng)銷(xiāo)商Thinglab 合作，使用Artec Leo完整掃描了塔斯馬尼亞博物館和美術(shù)館里的袋狼標(biāo)本，這是一款搭載內(nèi)置觸屏的3D掃描儀，100%無(wú)線設(shè)計(jì)。這些掃描采集了博物館幾套袋狼骨架和全身剝制模型。這些數(shù)字骨架之后被用來(lái)構(gòu)建凸包，作為數(shù)字雕刻的基礎(chǔ)。Thinglab的3D掃描總監(jiān)Ben Myers表示，“我們很喜歡Leo，和自己的客戶一樣，我們已經(jīng)應(yīng)用于很多項(xiàng)目了。Leo諸多功能也讓Thinglab工作的我們大吃一驚。過(guò)去曲面配準(zhǔn)的問(wèn)題不少，但VCSEL光技術(shù)大不一樣。”

他繼續(xù)說(shuō)道，“追蹤功能非常優(yōu)秀，可以圍繞物體轉(zhuǎn)動(dòng)，哪怕物體幾何復(fù)雜也無(wú)妨，可以輕松捕獲每個(gè)曲面。當(dāng)然，無(wú)線設(shè)計(jì)加上內(nèi)置顯示屏也使掃描流程變得尤為簡(jiǎn)單高效。”

項(xiàng)目最后階段，Rovinsky找到團(tuán)隊(duì)成員，數(shù)字藝術(shù)家Damir Martin。Martin非常善于描繪古世界，很快便開(kāi)始創(chuàng)作栩栩如生的袋狼3D形象。

值得注意的是，進(jìn)行本項(xiàng)目前，Martin早已深入研究過(guò)袋狼，已經(jīng)創(chuàng)作了很多以塔斯馬尼亞自然界為背景的袋狼形象，效果不錯(cuò)。

Martin的創(chuàng)作以骨架和剝制標(biāo)本的Leo掃描形象為基礎(chǔ)。加上自己對(duì)袋狼的深刻認(rèn)識(shí)和Rovinsky、Adam的幫助，他在ZBrush中一步步為每只袋狼的肌肉組織和外貌進(jìn)行數(shù)字雕塑。形象創(chuàng)作完成后，進(jìn)行數(shù)字稱重，這些測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)和其他體重估算值一起用于其他研究。

Martin這樣評(píng)價(jià)自己的工作：“我一直對(duì)滅絕動(dòng)物很感興趣。袋狼在很多方面都很特別，它們的樣子就特殊且神秘。遺憾的是，很多對(duì)袋狼的形象修復(fù)，從藝術(shù)角度而言，沒(méi)有表現(xiàn)出這種生物外貌的微妙之處。”

“但事實(shí)上，我們依靠一些罕見(jiàn)的照片和錄像，得知了袋狼的真實(shí)外形。所以這個(gè)很具有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目對(duì)我來(lái)說(shuō)很有吸引力。”

借助體重估測(cè)（由93頭袋狼的207份掃描計(jì)算得出），Rovinsky及其團(tuán)隊(duì)斷定公袋狼實(shí)際體重約為19公斤（41.9磅），母袋狼為14公斤（30.9磅）。也就是說(shuō)，公袋狼比母袋狼重30%。

對(duì)比過(guò)去幾十年來(lái)對(duì)袋狼體重的錯(cuò)誤估計(jì)，Rovinsky研究團(tuán)隊(duì)得出的公母袋狼體重大概只有過(guò)去的55%。所以，很顯然，袋狼沒(méi)有違反“食肉動(dòng)物消耗”定律，它們屬于中型食肉動(dòng)物，約為14-31公斤（30.9-46.3磅），通常以小型動(dòng)物為食，偶爾捕殺大型動(dòng)物。

該項(xiàng)目只是袋狼進(jìn)化生物學(xué)研究的一小部分，不僅包括這項(xiàng)針對(duì)袋狼體重的研究，還包括使用全球采集的3D數(shù)據(jù)樣本，對(duì)袋狼飲食結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)能力和袋狼生物特征展開(kāi)調(diào)查研究。

Adam談及3D掃描對(duì)這類研究的重要性時(shí)，他表示：“古生物學(xué)家終于開(kāi)始認(rèn)識(shí)到三維模型可以推算出更準(zhǔn)確的體重，哪怕只是在電腦上進(jìn)行電子測(cè)算，我們?nèi)匀豢梢詼y(cè)量物體外形，和以往通過(guò)回歸線繪制變量的方式不同。”

“3D科技徹*改變了我們對(duì)滅絕動(dòng)物體型測(cè)算的認(rèn)知。我認(rèn)為，未來(lái)這樣的應(yīng)用實(shí)踐會(huì)越來(lái)越多。而且Artec Space Spider和Leo操作簡(jiǎn)單便捷，可精準(zhǔn)捕獲這類數(shù)據(jù)，其潛力不可低估。”

Rovinsky評(píng)價(jià)了數(shù)據(jù)在其中的關(guān)鍵作用。“研究的難點(diǎn)在于，我們需要充足的數(shù)據(jù)才能生成生物體的完整3D形象，而對(duì)很多古生物學(xué)家而言，這是不可能的。”

“如果只有幾份標(biāo)本，也沒(méi)有完整骨架的話，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)這樣的準(zhǔn)確度的。大多數(shù)古生物學(xué)家甚至沒(méi)有一塊完整的骨骼，更不用說(shuō)完整骨架了。即便如此，我們依然可以使用Artec掃描儀輕松采集我們需要的海量標(biāo)本數(shù)據(jù)。”

Rovinsky還談到了本項(xiàng)目的深遠(yuǎn)意義，“我們當(dāng)然希望能盡可能了解袋狼的真實(shí)情況，因?yàn)楫吘顾袛?shù)據(jù)、觀察結(jié)果和我們得出的結(jié)論，都是二手的，很遺憾，我們?cè)僖步佑|不到活生生的袋狼了。”

他繼續(xù)補(bǔ)充道，“所有研究數(shù)據(jù)都要符合我們的觀察結(jié)果、理論解釋和測(cè)量值等等。這也反應(yīng)出對(duì)袋狼體重的認(rèn)知有多重要。這一看似微不足道的數(shù)值，會(huì)影響大量有賴于這一數(shù)據(jù)的其他研究。”