挑戰(zhàn)：對幾百塊袋狼骨骼、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)隊一塊塊測量了每塊標(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)和以往的測算差距很大。

幾百萬年的進(jìn)化使袋狼成為野外生存專家。袋狼是自然界中*大的食肉性有袋動物，在進(jìn)化過程中為自己開辟了一塊專門的棲息地。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)在動物園，度過了生命的最后三年。之后，在某個冬日上午，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，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，在袋狼還未滅絕，還漫步于塔斯馬尼亞土地上時，科學(xué)家未能真正對它們展開研究。直到今天，本杰明離開后不到100年，盡管世人對袋狼更為關(guān)注，但還有很多科學(xué)家無法解釋的真相和細(xì)節(jié)。像袋狼的飲食、交配、捕獵、移動習(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。

袋狼燃燒多少能量？它們儲存熱量嗎？消化食物的速度多快？多久進(jìn)一次食？它們捕獵哪種動物？自然界中繁殖能力如何？要解答這些問題，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，除非我們徹*搞明白了“概念A(yù)”，才會停止對它的誤解，同時解決有賴于“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)確體重估算的問題。但之后，并沒人解決這個問題，導(dǎo)致很多人都基于25-29公斤的錯誤估計值進(jìn)行研究。而且這個估算沒有得到證實。

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

但如果食肉動物體重高達(dá)21公斤或以上，如狼和美洲豹，通常會以體型和自己相當(dāng)或更大的獵物為食。對于體重為14-21公斤的食肉動物而言，比如狐貍和野貓，通常以小型動物為食，但偶爾也會獵食稍大的動物。不了解袋狼的真實體重，那么這個問題，包括其他一些難題，都無法得到科學(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)隊意識到這一問題的迫切性，開始著手解決。

這一項目的細(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評價了項目的重要性，“像其他滅絕物種一樣，對袋狼了解的越多，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。”

這項研究需要他們前往世界各地，在史密森學(xué)會等東西方博物館和研究院內(nèi)，對現(xiàn)存袋狼標(biāo)本開展研究。

Rovinsky及其團(tuán)隊很早就意識到，單純依賴傳統(tǒng)的體重估算方式，即通過測量袋狼牙齒進(jìn)行線性回歸，這種方式對滅絕動物而言通常錯誤率較高。

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。這樣即可對兩者進(jìn)行等比例縮放。

Rovinsky及其團(tuán)隊決定同時使用多種體重測算方法，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，以便采集絕對準(zhǔn)確的測量值。

組織安排是Rovinsky及其團(tuán)隊所面臨的一大挑戰(zhàn)：所有標(biāo)本來自全球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、歐洲、英國的幾家博物館。

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。

項目啟動前，Rovinsky和Adams決定不采用卡尺等傳統(tǒng)測量方式，也不采用GDI和攝影測量法這些現(xiàn)代方式。訪問每家博物館的時間極為有限，而且操作過度也會為標(biāo)本帶來不必要的傷害。

以往的方式非常耗時，還得每天麻煩博物館工作人員看上幾個小時。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，操作人員需要在測量過程中反復(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。

和以往經(jīng)歷相比，Rovinsky說，博物館工作人員發(fā)現(xiàn)掃描時間很短，而且對標(biāo)本風(fēng)險極低后，簡直“喜出望外”，因為只要幾分鐘，不會影響他們的正常工作。不過，即使掃描很快，博物館館長和其他工作人員也會出于好奇，選擇留下旁觀Space Spider的掃描過程。

“看到Space Spider操作起來如此迅速簡單，他們都十分驚訝。和其他不使用Space Spider的研究人員不同，我們對環(huán)境要求不高。不用很大的場地，不用控制光線，也不需要占用他們太多時間，” Rovinsky說道。

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

Rovinsky在用Space Spider采集動物標(biāo)本時，也不斷優(yōu)化工藝。掃描簡單物體時，比如狼或袋狼的前肢骨骼，他說，“這個處理起來相對快捷輕松，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，有些標(biāo)本很簡單，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說道。

Rovinsky一般都是離開博物館后進(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。所有掃描處理都是事后進(jìn)行的。”

他繼續(xù)補充道，“我只要帶上Space Spider就行，一整個下午，我能完成20-30份標(biāo)本掃描。所以，出差收集一次數(shù)據(jù)，過幾個禮拜，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：“首先手動對齊掃描，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)說道，“然后我開始跑一到兩次平滑算法。然后進(jìn)行快速網(wǎng)格簡化，精簡到60萬個三角形。最后的60萬個三角形在數(shù)量上也足夠了。當(dāng)然，60萬和150萬個三角形頭骨間存在分辨率差異，但這種差異對古生物學(xué)而言是否有意義就另說了。”

項目下一階段，Rovinsky與墨爾本Artec金牌授權(quán)經(jīng)銷商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%無線設(shè)計。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)用于很多項目了。Leo諸多功能也讓Thinglab工作的我們大吃一驚。過去曲面配準(zhǔn)的問題不少，但VCSEL光技術(shù)大不一樣。”

他繼續(xù)說道，“追蹤功能非常優(yōu)秀，可以圍繞物體轉(zhuǎn)動，哪怕物體幾何復(fù)雜也無妨，可以輕松捕獲每個曲面。當(dāng)然，無線設(shè)計加上內(nèi)置顯示屏也使掃描流程變得尤為簡單高效。”

項目最后階段，Rovinsky找到團(tuán)隊成員，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)行本項目前，Martin早已深入研究過袋狼，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。

Martin的創(chuàng)作以骨架和剝制標(biāo)本的Leo掃描形象為基礎(chǔ)。加上自己對袋狼的深刻認(rèn)識和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，這些測量數(shù)據(jù)會和其他體重估算值一起用于其他研究。

Martin這樣評價自己的工作：“我一直對滅絕動物很感興趣。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，很多對袋狼的形象修復(fù)，從藝術(shù)角度而言，沒有表現(xiàn)出這種生物外貌的微妙之處。”

“但事實上，我們依靠一些罕見的照片和錄像，得知了袋狼的真實外形。所以這個很具有挑戰(zhàn)性的項目對我來說很有吸引力。”

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

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

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

Adam談及3D掃描對這類研究的重要性時，他表示：“古生物學(xué)家終于開始認(rèn)識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)行電子測算，我們?nèi)匀豢梢詼y量物體外形，和以往通過回歸線繪制變量的方式不同。”

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

Rovinsky評價了數(shù)據(jù)在其中的關(guān)鍵作用。“研究的難點在于，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，也沒有完整骨架的話，是無法實現(xiàn)這樣的準(zhǔn)確度的。大多數(shù)古生物學(xué)家甚至沒有一塊完整的骨骼，更不用說完整骨架了。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情況，因為畢竟所有數(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，我們再也接觸不到活生生的袋狼了。”

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