El recorrido virtual de 3D a través de la roca desbloquea el misterio fósil

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Un equipo de geocientíficos de la Universidad de Princeton ha desarrollado un método para crear imágenes digitales tridimensionales de muestras de rocas deconstruidas que se pueden ver desde cualquier ángulo. Los algoritmos, desarrollados por el equipo, permiten que la computadora segmente las imágenes sin sesgo humano.

Cerca de cinco años atrás Adam Maloof, un profesor asociado de geociencia, colaboró ​​con SITU Studio para desarrollar The Princeton Grinding Imaging and Reconstruction Instrument, conocido como GIRI, que permite a los científicos ver cómo se ven las rocas en el interior.

Imagen: Akshay Mehra y Adam Maloof, Departamento de Geociencias de la Universidad de Princeton

Ahora, Maloof y Akshay Mehra, un estudiante de doctorado y coautor del estudio, están utilizando GIRI para diseccionar rocas y minerales y estudiar fósiles.

La papel completo fue publicado recientemente en Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

El estudio

El equipo utilizó recientemente GIRI para refutar la creencia común de que Cloudina, una criatura de caparazón delgado que vivió en todo el mundo 545 hace millones de años, fue constructora de arrecifes. De hecho, probaron que los fósiles de Cloudina se transportaban desde otras áreas y tenían poco que ver con la construcción de arrecifes.

"Pensé que podríamos aprender todo sobre este primer biomineralizador y primer constructor de arrecifes, pero Cloudina resultó ser más como un habitante del arrecife", dijo Maloof en un comunicado.

Muchos fósiles, incluido el de Cloudina, habían sido resistentes al estudio detallado debido a que las máquinas tradicionales de rayos X y CT no pueden detectar el contraste de densidad entre los fósiles y el mineral circundante.

"Los motivos por los que funcionan los rayos X, o incluso las resonancias magnéticas, se deben a que nuestros huesos tienen una densidad diferente a la de nuestra piel y vasos sanguíneos", dijo Mehra.

"Dado que no hay diferencia entre un fósil y la matriz en la que se encuentra en algunas de estas rocas, no se puede distinguir nada con una máquina de rayos X. Simplemente volvería como un retorno blanco ".

Los científicos no han podido descifrar cómo se ven los fósiles en 3D durante mucho tiempo.

Cuando están incrustados en la roca, es difícil sacarlos, según Maloof.

"La gente hacía secciones en serie de la misma manera en aquel momento, pero tal vez no a esta escala, donde podían quitar una pequeña piedra, dibujarla, pulir un poco más, dibujarla. ... Puede llevar mucho tiempo ", dijo en un comunicado.

GIRI acelera el proceso, elimina los errores humanos y disminuye la destrucción de las rocas y los fósiles.

Los poderes de GIRI

GIRI puede cortar rodajas de roca más pequeñas que un uno por ciento de un milímetro. Cada rebanada en una roca toma alrededor de 90 segundos para cortar e imagen, por lo que una muestra típica de una pulgada de espesor tarda aproximadamente un día y medio en moler e imagen.

La tecnología puede crear una muestra 3D de cualquier objeto sólido sin importar el contraste de densidad, y debido a que GIRI toma una fotografía de alta resolución de cada corte, los espectadores siempre ven la roca en sí, no solo la densidad contrasta.

"La belleza de tener una imagen física es que estamos viendo una respuesta real. Estamos viendo el color y la textura ", dijo Mehra.

A pesar de todas las ventajas, los investigadores reconocen que su técnica sigue siendo destructiva.

"[T] a es la desventaja", dijo Maloof en un comunicado.

"Pero lo que es tan agradable es que puedes ver fotografías y hacer observaciones directas: eso es lo que me ha cambiado la vida: me encanta que no sea un modelo. Puedes simplemente verlo. En cualquier porción dada, si encuentra algo grandioso, puede encontrar la porción y decir: '¿Qué aspecto tenía?' ... Estamos en un recorrido virtual dentro, en lugar de mirar formas de onda e intentar interpretarlas ".

Imagen: Akshay Mehra y Adam Maloof, Departamento de Geociencias de la Universidad de Princeton

La evolución de GIRI

Desde que GIRI se desarrolló por primera vez hace años, los científicos han realizado múltiples mejoras físicas en la máquina.

Han rediseñado y reemplazado la carcasa de la cámara y el mecanismo para limpiar y preparar las rocas para las fotografías, y han instalado monitores que registran la temperatura y la humedad durante el tiempo que se toma cada fotografía.

Además de las mejoras físicas en la máquina, se han tomado medidas para mejorar el funcionamiento y análisis del software utilizado en GIRI.

Maloof atribuye a Akshay el diseño de soluciones de aprendizaje automático que permiten a la computadora de control enviar y recibir señales de la amoladora, verificar la captura de imágenes y disparar el obturador.

"Desde cero, Akshay ha diseñado soluciones de aprendizaje automático para hacer que el proceso de segmentación de imágenes sea automatizado y confiable", dijo Maloof en un comunicado.

"Ha desarrollado técnicas que, en última instancia, serán importantes para cualquier aplicación tomográfica, incluida la TC de rayos X. Akshay también ha desarrollado formas de hacer mediciones cuantitativas en los volúmenes reconstruidos de 3D. Se sorprendería de lo mucho que el modelado 3D solo lleva a la visualización y la interpretación cualitativa, mientras que Akshay en realidad mide el tamaño, la forma y la orientación 3D de estos bichos ".

Implicaciones futuras

Mehra cree que GIRI podría ser una herramienta ampliamente utilizada en paleontología y geología.

"En paleontología y geología, una cosa que falta es la aplicación del aprendizaje automático o AI para identificar características de interés", dijo Mehra.

"Hemos notado que los estudiantes de paleontología saldrán y muchas veces se someterán a una radiografía o tomografía computarizada de un objeto y pasarán un año o dos trazando las capas e identificando diferentes piezas".

"Hay dos problemas con eso", continuó.

"Una es que consume mucho tiempo, y la otra es que confías en un individuo para tomar una decisión sobre si este gris o este color representa una cosa u otra".

Si hay un profesional capacitado que está interesado en probar una muestra usando GIRI, puede tomar una o dos rebanadas de la muestra completa y resaltar algunas áreas para representar cómo se verán los materiales óseos, fósiles o de roca. Esa información luego se envía a la red, que está diseñada para tomar la información de la imagen y tomar decisiones sobre cómo se vería cada color en una división.

"Esto permite que la segmentación sea hecha por una máquina, con algún aporte de seres humanos, y eso elimina un grado de parcialidad", dijo Mehra.

La tecnología GIRI ya ha llamado la atención de científicos de todo el mundo.

Los paleontólogos se han acercado a Maloof y Mehra para solicitar recorridos virtuales a través de todo tipo de espécimen, incluidas las criaturas sin cáscara, criaturas terrestres, peces y huesos de dinosaurios.

Los científicos planetarios están interesados ​​en GIRI porque la disección de pequeños granos llamados cóndrulos podría dar una idea de cómo se forman los planetas.

Los fabricantes de baterías y los ingenieros están interesados ​​en probar las rocas del yacimiento para el secuestro de carbono, y quieren moler las baterías de grafito para evaluar las estructuras 3D de la porosidad en el carbono.

"Realmente no hay límite para las contribuciones que GIRI puede hacer", dijo Maloof en un comunicado.

"Esto representa cinco años de trabajo. Es el único instrumento en el mundo como este ".

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