С промышленной дробилкой и камерой суперс высоким разрешением, специалисты в области наук о Земле Принстона Адам Мэлуф и Акшей Мехра могут вскрыть противоречия в горных образцах и создать трехмерные цифровые версии, что ученые могут посмотреть на от любого угла. Кроме того, они разработали программное обеспечение, которое позволяет компьютеру сегментировать изображения и одинокие объекты без субъективной систематической ошибки.Используя эту технологию вместе с подробными полевыми наблюдениями, они исследовали существо с тонкой оболочкой, которое пережило вновь большую часть мира приблизительно 545 миллионов лет назад, Cloudina, обычно согласовываемого, чтобы быть самым первым «biomineralizer», организм, который может создать раковину или кости в дополнение к мягкой ткани.В то время как предыдущие исследователи утверждали, что Цлудина была строителями рифа, Maloof и Mehra смогли использовать их 3D реконструкцию тонких подобных трубе структур существ, чтобы прийти к заключению, что окаменелости были транспортированы из других областей, предположив, что Цлудина играла только второстепенную роль в самых ранних системах рифа.
Их работа появляется в текущей проблеме Слушаний Национальной академии наук.«Я думал, входя, мы узнаем все виды об этом удивительный первый biomineralizer и первый строитель рифа, но Cloudina оказался больше как обитатель рифа», сказал Мэлуф, адъюнкт-профессор геонаук. Он теперь повернул свой центр к следующему самому старому потенциальному строителю рифа, губке под названием Archaeocyathid, который жил приблизительно 520 миллионов лет назад.Cloudina оказался стойким к детальному изучению, потому что его тонкий кожух слишком хрупок, чтобы извлечь физически из окружающего известняка, и это не могло быть изображено удаленно с традиционными методами томографии рентгена, которые требуют различий в плотности между предметом интереса и окружающим материалом.
Поскольку Cloudina химически идентичен известняку, окаменелости были эффективно невидимы для рентгена.Встретьте GIRI
Почти пять лет назад Maloof без обозначения даты сотрудник Студии Сыту Брэд Самуэлс собрал технологию, чтобы создать то, что он теперь называет «flipbooks», цифровые изображения, которые перемещаются больше чем через тысячу тончайших частей через скалу. Известный как «GIRI» или «дробилка», Принстон, Размалывающий Отображение и Инструмент Реконструкции, является ответом на давнее желание геологов знать то, на что скалы похожи на внутренней части.
«Навсегда – начиная с Дарвина – люди попытались выяснить, как окаменелости заглядывают 3D, когда они включены в скалу, и трудно вывести их», сказал Мэлуф. «Люди сделали последовательные разделы точно так же, как это очень давно – но возможно не в этом масштабе – где они будут вкалывать немного скалы, тянуть ее, размалывать немного больше, тянуть ее…. Это может быть невероятно отнимающим много времени».Войдите в GIRI, который может нарезать тонкие кусочки, столь же тонкие как несколько микронов (меньше чем 1 процент миллиметра), и может управлять 24 часами в день в течение многих недель подряд.
Поскольку каждая часть занимает приблизительно 90 секунд, чтобы сократиться и изображение, исследователи должны выбрать между скоростью и масштабом. Большинство экземпляров, которые Maloof и Mehra имеют изображенный, сокращено в части на 30 микронов, приблизительно треть толщина человеческих волос. Типичный толстый дюймом, образец с 1,500 частями занимает приблизительно полтора дня, чтобы размолоть и изображение; в это время оператор должен заменить машинные жидкости и убрать дворников (которые очищают поверхность после каждого сокращения), только однажды.«Процесс разрушительный», сказал Мэлуф. «Кости динозавра, лунные образцы – есть определенные экземпляры, которые люди, менее вероятно, дадут нам.
Это действительно не остановило нас, потому что большинство образцов не драгоценно. Cloudina, есть огромное количество из них – мы никогда не могли размалывать их всех».
GIRI может произвести 3D предоставление любого твердого объекта, были ли этому нужны различия в плотности для вычисленной микротомографии эффективного рентгена (обычно известный как рентген CT или Микро CT). Кроме того, потому что Вы делаете фотографию суперс высоким разрешением с каждой частью, Вы всегда видите саму скалу, не только модель плотности, которую может предоставить дистанционное зондирование.«Это разрушительное, конечно, это – недостаток, но что так хорошо, то, что Вы добираетесь, чтобы видеть фотографии и сделать непосредственные наблюдения», Maloof. «Это – то, что было таким образом судьбоносно мне: Я люблю это, это не модель.
Вы можете просто видеть его. На какой-либо данной части, если Вы считаете что-то большим, Вы можете просто найти часть и сказать, ‘На что это было похоже?’…
Мы находимся в виртуальном туре внутри, вместо того, чтобы смотреть на формы волны и пытаться интерпретировать их».И в то время как GIRI действительно распыляет образец, он сохраняет каждую деталь по своим изображениям с высоким разрешением, Мэлуф сказал, который возможно делает его менее разрушительным, чем другие подходы. Это также сохраняет структурную информацию, которая показывает, как скалы сформировались. «Когда люди попытались получить 3D информацию от скал как это, которые непрозрачны к рентгену, они всегда пытались расторгнуть материал. Но тогда Вы теряете всю информацию на месте.
Вы не знаете, как они выросли. У них нет отношений друг к другу.
И Вы не знаете, как они связаны с, возможно, меньшим или меньше эластичных частей. Вы можете предпочтительно расторгнуть украшение или другие ключевые детали. Таким образом, это – способ держать их в их среде обитания, все еще пытаясь выяснить то, на что они были похожи».В годах, так как Maloof собрал GIRI, он и его исследовательская группа сделали физические улучшения.
Они включают перепроектирование и замену жилья камеры, а также механизма для стирания и подготовки поверхности породы для фотографирования после того, как каждый размелет. Они также установили мониторы для температуры и влажности, чтобы сделать запись условий во время каждой фотографии. Исследователи также сокращают размолоть время за часть от семи минут до 90 секунд. Самые большие изменения, тем не менее, улучшали программное обеспечение, чтобы управлять машиной и проанализировать продукцию.
Используя коллекцию интерактивных сценариев MATLAB и функций Applescript, компьютер контроля может теперь послать и получить сигналы от дробилки, вызвать ставень и проверить захват изображения, все, в то время как GIRI в действии, сказал Мехра.«С нуля Акшей проектировал решения машинного обучения сделать процесс из сегментации изображения – дифференцирующихся окаменелостей от матрицы, цемента, и т.д., в каждой части – автоматизированным и надежным», сказал Мэлуф. «Он развивал методы, которые в конечном счете будут важны для любых томографических заявлений, включая рентген CT.
Акшей также развивал способы сделать количественные измерения в восстановленных 3D объемах. Вы были бы удивлены, сколько 3D моделирования там только приводит к визуализации и качественной интерпретации, тогда как Акшей на самом деле измеряет размер, форму и 3D ориентацию этих существ».Используя программное обеспечение, которое он разработал, «Мы можем непосредственно измерить эти экземпляры Cloudina», сказал Мехра. «Мы можем непосредственно измерить, какие направления трубы сгибают, каковы их диаметры, что их искривления – ни один из них не является на самом деле прямым – и на основе той информации, мы можем определить, на месте ли они или не на месте».
Мехра также проектировал нейронные сети, чтобы определить горные типы только их визуальными свойствами: цвет и структура. После того, как пользователь определяет, какие «классы» присутствуют по горстке изображений от стека – окаменелости против матрицы, например, или ключевым полезным ископаемым в метаморфической породе – сеть может тогда предсказать, принадлежит ли пиксель данному классу с большим, чем 90-процентная точность.
И со всем из которого, он сказал, студент и аспиранты могут, как правило, обучаться управлять GIRI через приблизительно день.Ученые со всего мира обратились к Maloof и Mehra, чтобы попросить виртуальные, визуальные туры в их собственных экземплярах. Палеонтологи надеются исследовать тонкие структуры от самой ранней жизни на Земле, огромном ряде ранних покрытых оболочкой существ, первой рыбы, первых существ земли, внутренней структуры аммонитов и других организмов с внутренними системами плавучести, и даже костей динозавра.
Планетарные ученые начали исследовать метеориты с GIRI, чтобы посмотреть на крошечное зерно, названное хондрами, которые содержат намеки к тому, как планеты сформировались. Инженеры проверяют возможные пористые породы на секвестрацию углерода и размалывают батареи графита, чтобы исследовать 3D структуру пористости в углероде.
Нет действительно никакого предела вкладам, которые может сделать GIRI, сказал Мэлуф. «Это представляет пять лет работы. Это – единственный инструмент в мире как он».