挑戰: 作為長(cháng)期研究的一部分，以非接觸方式快速3D掃描數百顆活體珊瑚，以了解由微塑料與氣候變化對珊瑚形狀造成的影響。

解決方案: Artec Spider, Artec Studio

效果: 如今，研究人員可以使用Artec Spider手持式3D掃描儀，在1分鐘內對個(gè)體珊瑚進(jìn)行3D掃描，獲得精度高達亞毫米級的精確物理測量值。

為什么選擇Artec 3D? 測量珊瑚的傳統方法是具有破壞性的，經(jīng)常會(huì )造成珊瑚的死亡。但是使用Artec Spider掃描，每顆珊瑚都保持濕潤鮮活的狀態(tài)，能在1分鐘內送回水族箱，完全不會(huì )損傷它們脆弱和敏感的蟲(chóng)體。意味著(zhù)這些珊瑚在研究期間和今后得以存活并茁壯成長(cháng)。

珊瑚礁作為復雜多樣的海洋生態(tài)系統，為全世界大約7000-8000種幼年海水魚(yú)提供安全的避難所。其周?chē)兄?zhù)豐富的食物，小魚(yú)可以在珊瑚礁的許多縫隙和蜿蜒的通道中躲避大型捕食者。

就像許多人認為的，珊瑚是脆弱而敏感的生物。每顆珊瑚都由數百至數千的被稱(chēng)為“珊瑚蟲(chóng)”的小生物組成。這些珊瑚蟲(chóng)長(cháng)度通常有1-10毫米，大約有硬幣厚，在堅硬的石灰巖骨架上覆蓋著(zhù)柔軟的外部結構。

罩柱群珊瑚特寫(xiě)（Stylophora pistillata）。圖片來(lái)源：Jessica Reichert博士

瀕臨滅絕

在無(wú)情的環(huán)境壓力下，自1950年以來(lái)，由于氣候變化、過(guò)度捕撈和污染，世界一半以上的珊瑚礁已經(jīng)消失。幸存的珊瑚礁中，多達90%可能無(wú)法存活過(guò)下一個(gè)百年。

如果所有的珊瑚都消失了，那么魚(yú)類(lèi)也將消失，它們的滅絕將是不可逆轉的。

更不用說(shuō)將在全球范圍內造成廣泛的影響，包括數以百萬(wàn)的魚(yú)類(lèi)和其他海洋生物，以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的巨大損失。

珊瑚也作為治療阿茲海默癥、癌癥、心臟病等多種藥物的重要成分。

Jessica Reichert教授和吉森大學(xué)的科研人員們正在研究全球氣候變化給各種珊瑚物種帶來(lái)的長(cháng)期影響。

Jessica Reichert博士，Artec Spider，和罩柱群珊瑚（Stylophora pistillata）。圖片來(lái)源：Jessica Reichert博士

吉森大學(xué)的Ocean2100水族館設施使研究人員有能力模擬全球氣候變化的環(huán)境，從而研究其對珊瑚、礁石和生活在其中的生物所造成的影響。

吉森大學(xué)的Ocean2100水族館設施。圖片來(lái)源：Patrick Schubert博士

創(chuàng )建適合的條件

這個(gè)特別設計的水族館，海水容量有近9000升，由18個(gè)265升的水族箱組成，分別進(jìn)行單獨控制、全天候的監控。

研究人員在這里重建了與珊瑚生存環(huán)境非常相似的各種條件，例如水溫升高、不同程度的酸化、存在的微塑料等等。

各種類(lèi)型和大小不同的微塑料。圖片來(lái)源：Jessica Reichert博士

Reichert和她的團隊目前正在研究30種石珊瑚和20多種其類(lèi)型的珊瑚礁生物。

珊瑚作為難以置信的生物，即便個(gè)體珊瑚蟲(chóng)死亡，但理論上完整的珊瑚卻可以存活幾百年。這就是為什么針對不同珊瑚物種進(jìn)行長(cháng)期的研究尤為重要。傳統60至90天的研究時(shí)間根本不足以測量和了解正在發(fā)生的物理變化。

即使將研究時(shí)間延長(cháng)，團隊的測量?jì)x也會(huì )影響結果的準確性。珊瑚蟲(chóng)生長(cháng)是幫助科學(xué)家研究環(huán)境壓力對珊瑚影響的重要參數之一。

巴厘島（印度尼西亞）的珊瑚礁。圖片來(lái)源：Jessica Reichert博士

然而，使用熱蠟或鋁箔的傳統方法來(lái)確定珊瑚的尺寸，對個(gè)體活珊瑚進(jìn)行精確、重復的測量幾乎是不可能的。

盡管如今仍在沿用這兩種方法，但局限性顯而易見(jiàn)。熱蠟法是將個(gè)體珊瑚浸入滾燙的石蠟中，然后待蠟殼完全凝固后測量所增加的重量。

不幸的是，珊瑚永遠無(wú)法通過(guò)這一過(guò)程的考驗，因此，只能對具有不同尺寸的相鄰珊瑚進(jìn)行后續的測量。

雖然也可以使用鋁箔來(lái)進(jìn)行類(lèi)似的測量，但準確度則低得多。要使珊瑚在此過(guò)程中存活下來(lái)，研究人員需要漫長(cháng)的時(shí)間進(jìn)行非常緩慢地移動(dòng)，然而得到的結果并不敏銳，無(wú)法量化珊瑚的緩慢生長(cháng)速度（每月0.8至5毫米）。

引入新技術(shù)

但吉森大學(xué)并沒(méi)有使用這兩種過(guò)時(shí)的方法。相反，他們采用了Artec Spider的3D掃描作為他們的首選測量方式。

Artec Spider與等待掃描的藍珊瑚（Heliopora coerulea）。圖片來(lái)源：Jessica Reichert博士

通過(guò)微小的接觸，不僅所有的珊瑚都能在每次測量過(guò)程中存活下來(lái)，而且完成整個(gè)掃描過(guò)程所需的時(shí)間不到1分鐘。

這對研究人員的工作效率有著(zhù)深遠的影響。用Reichert的話(huà)說(shuō)：“我通常用一下午的時(shí)間就可以?huà)呙璐蠹s50顆珊瑚，或者在一天內掃描完100顆。過(guò)去我們從沒(méi)能如此高效地工作，更不用說(shuō)百分百保證珊瑚的安全了。”

“一項長(cháng)期掃描項目包含了300顆珊瑚。它們必須緊密地放在一起進(jìn)行掃描，假使我沒(méi)有Spider，必須使用老辦法來(lái)進(jìn)行，就需要多名研究人員共同參與測量珊瑚，或者不得不放棄精確度，因為我根本不可能在這么短的時(shí)間內完成測量所有的珊瑚，”Reichert解釋道。

關(guān)于掃描的流程，Reichert一次性完成了所有的掃描，然后在Artec Studio軟件中進(jìn)行處理。

使用Artec Spider掃描一顆粗野鹿角珊瑚（Acropora humilis）。圖片來(lái)源：Jessica Reichert博士

掃描需要兩名研究人員在場(chǎng)，其中一名研究人員從水族箱中取出珊瑚并放置在轉盤(pán)上，而另一名研究人員則用Spider進(jìn)行掃描。

研究人員還發(fā)明了使用“牙簽和大頭針”的方法來(lái)固定某些類(lèi)型的珊瑚，這使他們能夠從上到下掃描完整的珊瑚，而無(wú)需重新定位。

Spider掃描水分的能力也被印證是有效的。Reichert說(shuō)：“即使珊瑚被水浸泡過(guò)，Spider也能正確地捕捉它們，而不會(huì )出現任何反射方面的問(wèn)題。我們通過(guò)測試掃描設置時(shí)發(fā)現了這一點(diǎn)。”

她繼續說(shuō)，“使用Spider可以自定義設置，能夠掃描任何我們需要的目標。這樣一來(lái)，可能無(wú)需再使用其他的設備進(jìn)行掃描了。”

例如，當掃描顏色淺、結構復雜的珊瑚時(shí)，他們會(huì )應用較高的靈敏度設置，以采集微小、復雜的結構。相反，對于顏色較深、結構簡(jiǎn)單的珊瑚，他們則會(huì )降低靈敏度。在初期，該團隊就總結出了每顆珊瑚物種的掃描儀設置。

Spider掃描柱狀珊瑚（S. pistillata）的屏幕截圖（有紋理和無(wú)紋理）。圖片來(lái)源：Jessica Reichert博士

在Artec Studio中處理掃描后，珊瑚的3D模型通常以OBJ格式導出到MeshLab。該團隊還創(chuàng )建了自己的Python腳本用來(lái)自動(dòng)分析珊瑚模型的表面積和體積。

Spider掃描的同時(shí)還顯示了另外的重要潛能。巴西同事——數學(xué)家André R. Backes，開(kāi)發(fā)了一個(gè)C語(yǔ)言程序，用于分析珊瑚的分形維數，主要目的是研究珊瑚的復雜性，以及它們之間的相似性。

研究人員的發(fā)現表明，世界各地海洋中不斷上升的微塑料含量直接影響了珊瑚的生長(cháng)和健康。珊瑚正在通過(guò)吞食微塑料來(lái)清潔它們周?chē)乃?，將微塑料誤以為是食物，嵌入了珊瑚的骨架當中。

嵌入珊瑚碳酸鈣骨架中的微塑料。圖片來(lái)源：Jessica Reichert博士

深入水下研究

與普遍的看法相反，微塑料的最大來(lái)源并不是沐浴露和化妝品等奢侈品。相反，在很大程度上，罪魁禍首是來(lái)源于汽車(chē)輪胎的磨損、合成服裝和油漆顆粒。

Reichert和她的團隊正在調查攝入的微塑料是否削弱了珊瑚的結構，導致它們更易破損。如果這一假設成立，將進(jìn)一步揭示出全球海岸線(xiàn)面臨著(zhù)失去唯一阻擋風(fēng)暴和海嘯的天然屏障：珊瑚礁。

除了對環(huán)境的破壞，研究表明微塑料具有神經(jīng)毒性，甚至能夠改變人類(lèi)的DNA。

談到這些后果，Reichert說(shuō)：“我們正在研究未來(lái)的影響，如果現在不消除或大幅減少微塑料，10年或20年后會(huì )發(fā)生什么。必須及時(shí)悔改，我們有能力和責任立即解決。”

Reichert和她的同事們還關(guān)注氣候變化對珊瑚造成的影響，包括海水變暖和海水中二氧化碳的含量增加。特別是海洋酸化，因為這對珊瑚骨架的形成造成了巨大的影響。

研究人員正在進(jìn)一步調查珊瑚發(fā)生形態(tài)上的變化是否有來(lái)自波浪的影響。由于珊瑚受到其周?chē)h(huán)境的強烈影響，而水中存在強大的水流，導致珊瑚的生長(cháng)在微弱或中等的水流情況下的不同。

考慮到這一點(diǎn)，Reichert的同事，來(lái)自哥倫比亞國立大學(xué)Sede Caribe海洋學(xué)和沿海生態(tài)系統研究組（OCEáNICOS）的Juan David Osorio Cano，I.C，M. Ing博士，根據Reichert使用Spider的掃描進(jìn)行3D打印珊瑚模型，并放置在風(fēng)浪水槽中，用來(lái)分析珊瑚形狀變化對其周?chē)鞯挠绊憽?/span>

在3D打印前，使用Blender準備柱狀珊瑚（S. pistillata）的3D模型。圖片來(lái)源：Juan David Osorio Cano博

使用3D打印的珊瑚，研究人員們在每次實(shí)驗中都能得到精確的珊瑚尺寸。因此大小和形狀的變量恒定，而沒(méi)有發(fā)生任何因處理不當而導致的珊瑚死亡。

Reichert強調，“毫不夸張地說(shuō)，如果我們沒(méi)有用Spider進(jìn)行3D掃描，這項研究是不可能推進(jìn)的。我們以前從未能夠如此準確地追蹤珊瑚生長(cháng)和形狀隨著(zhù)時(shí)間所發(fā)生的變化。但現在我們有能力做到這一切。”

并補充說(shuō)：“任何受過(guò)觀(guān)察力訓練的研究人員都可以監測珊瑚，看到它們的形狀變化，但從科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，還是不夠的。使用Spider掃描儀，可以對其進(jìn)行測定，以準確顯示形狀發(fā)生的變化以及具體以何種方式變化的。只有這樣，我們才能開(kāi)始了解正在發(fā)生的事情以及原因。”

用于水流研究的3D打印柱狀珊瑚（S. pistillata）。圖片來(lái)源：Juan David Osorio Cano博士

Reichert和她的團隊繼續在吉森大學(xué)研究許多不同種類(lèi)的珊瑚。

然而，還有更多的東西有待我們去探索：改變珊瑚形狀的多種方式，導致這些變化的因素，在珊瑚礁生態(tài)系統層面應用這些技術(shù)的方式，最終，了解珊瑚礁的多樣性將受到怎樣的影響，對生活在這些珊瑚礁中的魚(yú)類(lèi)，乃至對人類(lèi)來(lái)說(shuō)，將會(huì )造成怎樣的后果。

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