Ученые разработали 3-D сканер для насекомых

Сканер, совместно разработанный в Техническом университете Дармштадта и Дармштадтском университете прикладных наук, позволяет автоматизировать цифровое архивирование коллекционных насекомых — в высоком разрешении и в 3-D. Ученые опубликовали эту новую и уникальную разработку в журнале "ZooKeys".

В последние десятилетия наблюдается резкое сокращение численности насекомых: в некоторых охраняемых природных зонах биомасса насекомых сократилась на 75%. Документирование и понимание локального и глобального разнообразия насекомых стало особенно актуальной задачей. Для этой цели ученые из Дармштадтского университета прикладных наук и Технического университета Дармштадта совместно разработали новый сканер, который оцифровывает коллекционных насекомых в высоком разрешении и в масштабе. Сканер должен внести ценный вклад в цифровую документацию биоразнообразия. Даже коллекционные насекомые в музеях находятся под угрозой: они могут быть постепенно утрачены из-за естественного распада и вредителей, таких как музейный жук. В музеях естественной истории хранится более миллиона различных видов — значительное число. Оцифровка позволяет не только сохранить их для будущего, но и обеспечить к ним онлайн-доступ по всему миру.

Группа "Экологические сети" в Техническом университете Дармштадта исследует влияние землепользования и изменения климата на сообщества видов и морфологические характеристики насекомых и паукообразных. Хотя уже существует множество фотодокументаций коллекций насекомых, редукция трехмерных животных до двухмерных изображений крайне неудовлетворительна. "По отдельным изображениям невозможно рассмотреть все важные признаки, а пространственные соотношения определенных признаков не могут быть отображены", — объясняет эколог Михаэль Хитхофф. Поэтому потребовался 3-D сканер для насекомых. Здесь в игру вступил Бернхард Штрёбель из Департамента математики и естественных наук Дармштадтского университета прикладных наук с его многолетним опытом в области оптических 3-D измерений.

Совместная разработка устройства "DISC3D" (Darmstadt Insect Scanner 3-D) заняла четыре года. Прототип теперь используется в рутинном режиме и оптимизирован для в значительной степени автоматического сбора данных. Для сканирования наколотое насекомое помещается в центр двух полусфер, которые косвенно освещают образец со всех сторон. Моторная каретка перемещает камеру вперед и назад, непрерывно делая снимки. Насекомое с помощью шаговых двигателей через регулярные промежутки времени поворачивается вокруг двух осей, чтобы обеспечить съемку со всех направлений. В результате получается около 25 000 отдельных цифровых изображений, объединенных из 400 различных пространственных направлений. Затем из этих 400 изображений генерируются трехмерные модели, на которые в цифровом виде наносится фотографическая поверхность (текстура) насекомых. Результатом являются трехмерные модели животных в натуральных цветах и в масштабе, которые можно просматривать, вращать, увеличивать, измерять и курировать в базах данных музеев. "Сканер в своей текущей конфигурации может сканировать насекомых большинства размеров: от маленьких мух в два миллиметра до животных размером с майского жука", — говорит Штрёбель. Модели можно увеличивать и печатать на 3-D принтере, что также представляет интерес, например, для музейного образования.

Некоторые музеи и исследовательские учреждения уже выразили заинтересованность в сканере и начали строить его реплики. Хотя устройство в настоящее время использует и коммерческое программное обеспечение, оно в принципе задумано как открытый проект, который может быть недорого реализован заинтересованными сторонами самостоятельно. Разработчики надеются на многочисленных последователей, включая частных лиц, чтобы можно было достичь цели масштабной оцифровки коллекций насекомых в музеях. Заинтересованным сторонам предоставляется план конструкции устройства по запросу, а взамен ожидается участие в дальнейшей разработке.

Совместная инициатива двух университетов является примером того, как междисциплинарное сотрудничество открывает новые области применения для цифровизации. Дармштадт, победитель конкурса "Цифровой город" в 2017 году, Технический университет с его центральной профильной областью "Интернет и цифровизация" и Дармштадтский университет прикладных наук с его областью обучения "Оптические технологии и обработка изображений" создают идеальные условия для целей экологов.