Ein Team von Geowissenschaftlern an der Princeton University hat sich entwickelt eine Methode Erstellen von dreidimensionalen digitalen Bildern von dekonstruierten Gesteinsproben, die aus jedem Blickwinkel betrachtet werden können. Algorithmen, die vom Team entwickelt wurden, ermöglichen es dem Computer, die Bilder ohne menschliche Verzerrung zu segmentieren.

Vor fast fünf Jahren Adam Maloof, ein Associate Professor für Geowissenschaften, kollaborierte mit SITU Studio das Princeton Grinding Imaging and Reconstruction Instrument, bekannt als GIRI, zu entwickeln, mit dem Wissenschaftler sehen können, wie Steine ​​innen aussehen.

Maloof und Akshay Mehra, ein Doktorand und Co-Autor der Studie, verwenden GIRI, um Gesteine ​​und Mineralien zu sezieren und Fossilien zu studieren.

Das volles Papier wurde kürzlich in Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht.

Die Studie

Das Team hat kürzlich GIRI benutzt, um den allgemeinen Glauben zu widerlegen, dass Cloudina, eine dünnschalige Kreatur, die vor Millionen von Jahren 545 auf der ganzen Welt lebte, Riffbauer war. In der Tat bewiesen sie, dass Wolkenfossilien aus anderen Gebieten transportiert wurden und wenig mit dem Bauen von Riffen zu tun hatten.

"Ich dachte, wir würden alles Mögliche über diesen erstaunlichen ersten Biomineralisator und ersten Riffbauer lernen, aber Cloudina entpuppte sich mehr wie ein Riffbewohner", sagte Maloof in einer Erklärung.

Viele Fossilien, einschließlich der von Cloudina, waren zuvor resistent gegen detaillierte Untersuchungen, da herkömmliche Röntgen- und CT-Scanmaschinen den Dichtekontrast zwischen den Fossilien und dem umgebenden Mineral nicht aufnehmen können.

"Der Grund, warum Röntgenstrahlen oder sogar MRI funktionieren, liegt darin, dass unsere Knochen eine andere Dichte haben als unsere Haut und Blutgefäße", sagte Mehra.

„Da es in einigen dieser Gesteine ​​keinen Unterschied zwischen einem Fossil und der Matrix gibt, in der es sich befindet, kann man mit einem Röntgengerät nichts unterscheiden. Es würde nur als weiße Rückkehr zurückkehren. “

Wissenschaftler haben lange nicht herausgefunden, wie Fossilien in 3D aussehen.

Wenn sie in Rock eingebettet sind, ist es laut Maloof schwer, sie herauszuholen.

„Die Leute haben damals serielle Abschnitte genau so gemacht - aber vielleicht nicht in dieser Größenordnung - wo sie ein kleines Gestein wegschleifen, es zeichnen, ein wenig mehr mahlen, es zeichnen. … Es kann unglaublich zeitaufwändig sein “, sagte er in einer Erklärung.

GIRI beschleunigt den Prozess, eliminiert menschliche Fehler und verringert die Zerstörung der Felsen und Fossilien.

Die Kräfte von GIRI

GIRI kann Felsbrocken schneiden, die kleiner als ein Prozent eines Millimeters sind. Jede Scheibe in einem Felsen benötigt etwa 90 Sekunden, um zu schneiden und zu fotografieren, so dass eine typische, inch-dicke Probe etwa anderthalb Tage benötigt, um zu schleifen und zu fotografieren.

Die Technologie kann ein 3D-Sample von jedem festen Objekt erzeugen, unabhängig vom Dichtekontrast, und weil GIRI von jeder Scheibe eine hochauflösende Fotografie macht, sehen die Betrachter immer den Stein selbst, nicht nur die Dichtekontraste.

"Die Schönheit eines physischen Bildes ist, dass wir eine echte Antwort sehen. Wir sehen Farbe und Textur ", sagte Mehra.

Trotz aller Vorteile erkennen die Forscher, dass ihre Technik immer noch destruktiv ist.

„Das ist der Nachteil“, sagte Maloof in einer Erklärung.

„Was aber so schön ist, ist, dass man Fotos sieht und direkte Beobachtungen macht: Das hat mich so sehr verändert: Ich liebe es, dass es kein Modell ist. Du kannst es einfach sehen. Wenn Sie in einem bestimmten Bereich etwas Großartiges finden, können Sie das betreffende Stück einfach finden und sagen: "Wie sah es aus?" … Wir sind auf einer virtuellen Tour durch, anstatt Wellenformen zu betrachten und sie zu interpretieren. “

Die Evolution von GIRI

Seit GIRI vor Jahren entwickelt wurde, haben die Wissenschaftler die Maschine mehrfach physikalisch verbessert.

Sie haben das Kameragehäuse und den Mechanismus zum Reinigen und Vorbereiten der Felsen für die Fotos neu gestaltet und ersetzt, und sie haben Monitore installiert, die die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit während der Aufnahme der Fotos aufzeichnen.

Zusätzlich zu den physikalischen Verbesserungen an der Maschine wurden Schritte unternommen, um die in GIRI verwendete Lauf- und Analysesoftware zu verbessern.

Maloof schreibt Akshay Maschinenleselösungen zu, die es dem Steuercomputer ermöglichen, Signale von der Schleifmaschine zu senden und zu empfangen, die Bilderfassung zu verifizieren und den Verschluss auszulösen.

"Akshay hat von Anfang an Lösungen für das maschinelle Lernen entwickelt, um den Prozess der Bildsegmentierung automatisiert und zuverlässig zu machen", sagte Maloof in einer Erklärung.

„Er hat Techniken entwickelt, die letztendlich für alle Tomographieanwendungen, einschließlich der Röntgen-CT, wichtig sind. Akshay hat auch Methoden entwickelt, um quantitative Messungen in den rekonstruierten 3D-Volumina vorzunehmen. Sie wären überrascht, wie viel 3D-Modellierung nur zu Visualisierung und qualitativer Interpretation führt, während Akshay tatsächlich die Größe, Form und 3D-Ausrichtung dieser Tiere misst. “

Zukünftige Auswirkungen

Mehra glaubt, dass GIRI ein weit verbreitetes Werkzeug in der Paläontologie und Geologie sein könnte.

„In der Paläontologie und Geologie fehlt es an der Anwendung von maschinellem Lernen oder KI, um interessierende Merkmale zu identifizieren“, sagte Mehra.

"Wir haben festgestellt, dass Paläontologiestudenten ausgehen und oft einen Röntgen- oder CT-Scan eines Objekts erhalten und ein oder zwei Jahre damit verbringen, die Schichten ausfindig zu machen und verschiedene Teile zu identifizieren."

"Damit gibt es zwei Probleme", fuhr er fort.

"Eine ist, dass es zeitaufwändig ist, und die andere ist, dass Sie sich auf eine Person verlassen, um zu entscheiden, ob dieses Grau oder diese Farbe das eine oder das andere darstellt."

Wenn es einen ausgebildeten Fachmann gibt, der daran interessiert ist, eine Probe mit GIRI zu testen, kann er oder sie ein oder zwei Stücke aus der gesamten Probe nehmen und einige Bereiche hervorheben, um darzustellen, wie das Knochen-, Fossilien- oder Gesteinsmaterial aussehen könnte. Diese Information wird dann in das Netzwerk eingespeist, das dazu bestimmt ist, die Bildinformation aufzunehmen und Entscheidungen darüber zu treffen, wie jede Farbe in einer Schicht aussehen könnte.

"Dies ermöglicht es, die Segmentierung mit Hilfe eines Computers mit etwas Input von Menschen durchzuführen, und das entfernt eine gewisse Verzerrung", sagte Mehra.

Die GIRI-Technologie hat bereits Wissenschaftler auf der ganzen Welt überzeugt.

Paläontologen haben sich nach Maloof und Mehra ausgesucht, um nach virtuellen Touren durch alle Arten von Proben zu fragen, darunter geschälte Kreaturen, Landkreaturen, Fische und Dinosaurierknochen.

Planetenforscher sind an GIRI interessiert, weil das Zerlegen von winzigen Körnern, sogenannten Chondren, Einblick in die Entstehung von Planeten geben könnte.

Batteriehersteller und Ingenieure sind daran interessiert, Gesteinsbrocken für die Kohlenstoffsequestrierung zu testen und Graphitbatterien zu schleifen, um 3D-Strukturen der Porosität im Kohlenstoff zu bewerten.

"Es gibt wirklich keine Begrenzung für die Beiträge, die GIRI leisten kann", sagte Maloof in einer Erklärung.

„Das sind fünf Jahre Arbeit. Es ist das einzige Instrument auf der Welt, das es mag. “