挑戰：澳大利亞研究員始終致力于研究不同的鳥(niǎo)類(lèi)，以測量在過(guò)去100年間，它們?yōu)閼獙θ蜃兣霈F的體形變化。研究員們需要一種快速、精準又簡(jiǎn)便的方式來(lái)記錄博物館收藏的86種鳥(niǎo)類(lèi)、上千個(gè)鳥(niǎo)喙的精確尺寸。

解決方案：Artec Space Spider, Artec Studio

效果：使用手持式三維掃描儀Artec Space Spider，每只鳥(niǎo)都能在短短兩分鐘內完成亞毫米級的彩色3D捕獲。這樣，只需去一次博物館就能完成30-50只鳥(niǎo)的掃描。每只鳥(niǎo)的掃描處理也只需要6分鐘不到。最終完成的掃描數據表明，在過(guò)去一個(gè)世紀，鳥(niǎo)喙大約變大了4%-10%。

博士生Sara Ryding用Artec Space Spider掃描澳洲粉紅鳳頭鸚鵡（Eolophus roseicapilla）（供圖：Sara Ryding）

全球變暖的嚴重影響已經(jīng)持續了幾十年：全球不少鳥(niǎo)類(lèi)都在應對溫度上升的過(guò)程中出現了體形變化，包括喙、腿和其他部位，這表明它們和環(huán)境不斷斗爭，只為生存。

這種變化是如何幫助它們應對氣溫升高的，目前只能用鮮有人知的“艾倫法則”來(lái)解釋。19世紀，這條生物進(jìn)化規則表明，溫暖氣候下的動(dòng)物通常有更大的器官，如耳、喙、尾、四肢。

由于許多器官沒(méi)有被毛皮或羽毛覆蓋，所以這些結構本身起到了熱輻射器的作用，來(lái)散發(fā)熱量，讓身體降溫至舒適溫度。

火烈鳥(niǎo)的紅外圖顯示它們通過(guò)喙和腿來(lái)散熱（供圖：Glenn Tattersall）

非洲象利用耳部散熱，老鼠通過(guò)尾巴，而鳥(niǎo)類(lèi)則通過(guò)喙和腿。

鳥(niǎo)類(lèi)體溫調節原理

如果我們進(jìn)一步探究鳥(niǎo)類(lèi)天生的體溫調節功能，就會(huì )發(fā)現大自然是如此鬼斧神工，這種散熱模式十分高效。首先，是鳥(niǎo)類(lèi)身體有效的調溫器——喙。如果不仔細觀(guān)察，你會(huì )以為鳥(niǎo)喙是由類(lèi)似樹(shù)皮一樣的惰性材料構成的。

來(lái)自南非卡拉哈里沙漠的雌性南方黃嘴犀鳥(niǎo)（Tockus leucomelas）喙部含有大量血管（供圖：T. van de Ven, UCT）

其實(shí)，喙部也是活生生的器官，含有大量血管，有豐富的血管分支。舉個(gè)形象的例子，鳥(niǎo)類(lèi)身體需要在睡眠時(shí)降溫，這時(shí)，它們會(huì )向喙部傳輸更多血液，將身體多余的熱量排出，使核心溫度降到有助于睡眠的水平。

顯然，對體形相當的鳥(niǎo)類(lèi)而言，喙部更大，散熱就更高效。

正在散熱的大西海海雀（Fratercula arctica）（供圖：Glenn Tattersall）

大致來(lái)說(shuō)，為應對快速上升的溫度，一代代動(dòng)物都需要根據身體比例增大部分器官的體積。但由于這種改變會(huì )造成身體對稱(chēng)性的變化，從而造成體形改變。

鳥(niǎo)類(lèi)體形變化的那些事

通常，鳥(niǎo)類(lèi)的體形變化十分微小，必須通過(guò)測量過(guò)去幾十年的標本來(lái)判斷，這些標本幾乎都收藏于博物館，只有通過(guò)這種方式，才能對發(fā)生的體形變化做好量化工作。

過(guò)去的研究集中在某種或幾種特定鳥(niǎo)類(lèi)上的進(jìn)化過(guò)程。盡管現在的研究同樣揭示了鳥(niǎo)類(lèi)這一快速變化的趨勢，但這次的研究覆蓋了86種鳥(niǎo)類(lèi)，共計6000只鳥(niǎo)。

Artec Space Spider掃描的澳大利亞壯麗細尾鷯鶯（Malurus cyaneus）（供圖：Sara Ryding）

這項研究由澳大利亞墨爾本迪肯大學(xué)博士生Sara Ryding負責，她和同事們一起，專(zhuān)門(mén)從事澳大利亞鳥(niǎo)類(lèi)研究。

為了測量鳥(niǎo)類(lèi)標本時(shí)盡可能提高精度，Ryding的導師Matthew Symonds博士，決定采用三維掃描技術(shù)。

研究員Sara Ryding握著(zhù)一只澳洲鳶（Elanus axillaris）（供圖：Sara Ryding）

Symonds了解了市面所有符合要求的三維掃描儀后，聯(lián)系了當地的埃太科合作商Objective3D。

公司專(zhuān)家為他推薦了Artec Space Spider，這是一款計量級精度的手持式三維掃描儀，受到許多研究人員和專(zhuān)家的青睞，適合處理對精度和分辨率要求高的任務(wù)。

Artec Space Spider

對比鳥(niǎo)類(lèi)體形變化的傳統方式就是使用數字卡尺來(lái)計算喙部的長(cháng)、寬、深度。隨后，將這些數值套入一個(gè)公式，計算同體積圓錐體的表面積。

Space Spider完整捕獲3D外形數據

Ryding提到，鳥(niǎo)喙有各種各樣的復雜外形，“如果把喙部簡(jiǎn)化為一個(gè)圓錐，勢必會(huì )丟失幾何數據，無(wú)法記錄下重要的解剖表面數據?！?

她補充道：“我們關(guān)注很多不同種類(lèi)，從鴨子、夜鶯到猛禽……只有在研究范圍擴大后，才能看到這些不同的喙部形狀。因此，我認為三維掃描技術(shù)更適合這樣的研究，因為我們可以完整采集自然形態(tài)的全部數據，不會(huì )有任何遺失?！?

準備用數字卡尺來(lái)測量澳洲紋翅食蜜鳥(niǎo)喙部（供圖：Sara Ryding）

手動(dòng)測量的另一個(gè)問(wèn)題就是操作誤差。在測量鳥(niǎo)類(lèi)體形時(shí)，由于卡尺位置不同，哪怕是多位經(jīng)驗豐富、全神貫注的研究員，都會(huì )出現測量差異，從而對數據結果帶來(lái)大的影響。

數秒鐘成就高精測量

Ryding表示：“有了Artec Space Spider，我們可以將操作員的誤差降到很低，即便是由不同人員操作，每份掃描幾乎都是一樣的。這才是研究員希望看到的結果。數據集精度越高，相關(guān)性就體現得更清晰，這也有助于我們得出可靠的結論?！?

目前為止，Symond的研究已經(jīng)顯示，在過(guò)去一個(gè)世紀，鳥(niǎo)類(lèi)喙部的體積已經(jīng)增加了約4%-10%。

就掃描效率來(lái)看，盡管新冠疫情封控政策導致無(wú)法多次前往博物館，但她還是在幾個(gè)月內，掃描了3000多只鳥(niǎo)。她的終極目標是6000只。

掃描當天，Ryding都會(huì )有一到兩個(gè)明確目標。在館長(cháng)的幫助下，她找到這些鳥(niǎo)類(lèi)的具體位置，并根據標本收集的年份和地點(diǎn)來(lái)挑選部分進(jìn)行掃描。

基本一個(gè)下午，她可以?huà)?0-50只小鳥(niǎo)，或30-40只大鳥(niǎo)。

Artec Studio 截圖： Artec Space Spider掃描的澳洲粉紅鳳頭鸚鵡，未加紋理（供圖：Sara Ryding）

Ryding的掃描工作流程十分簡(jiǎn)單：把鳥(niǎo)放在旋轉臺上，面朝上，仰面躺好。然后，緩慢轉動(dòng)旋轉臺的同時(shí)，用Space Spider掃描，一次性采集喙部所有解剖結構。這一過(guò)程大約持續2分鐘，最后的掃描數據用途十分廣泛。

秒殺手動(dòng)測量的3D數據效果

用Ryding的話(huà)說(shuō)；“每份掃描提供的表面數據足夠我進(jìn)行各種分析了，甚至還有可能用于今后其他研究，例如幾何形態(tài)測量。想到過(guò)去的傳統操作方法，就會(huì )發(fā)現，數字卡尺是絕無(wú)可能捕捉到這么詳細的表面數據的。

Artec Studio 截圖： Artec Space Spider掃描的澳洲粉紅鳳頭鸚鵡，帶紋理（供圖：Sara Ryding）

隨后，Ryding會(huì )在家或學(xué)校里用Artec Studio軟件處理掃描?？偟膩?lái)看，整個(gè)處理流程每只鳥(niǎo)大約需要6分鐘。

對此，她進(jìn)行了細致描述：“掃描處理流程如下：先進(jìn)行整體配準，然后移除異常值，進(jìn)行尖銳融合，可清晰保留所有微小的細節。隨后，應用紋理，即可清晰看出羽毛的根部和喙部開(kāi)始的位置。隨后，刪除多余數據，只剩喙部?！?

在A(yíng)rtec Studio中分離澳洲粉紅鳳頭鸚鵡喙部以便測量（供圖：Sara Ryding）

隨后，使用Artec Studio中的測量工具，為喙部快速完成線(xiàn)性測量，并和數字卡尺的結果進(jìn)行對比。

她繼續介紹后續步驟：“然后，我會(huì )進(jìn)行一項卡尺無(wú)法完成的操作，也就是測量表面積，那么我得到的就是整個(gè)喙部的面積，而不是線(xiàn)條長(cháng)度?！?

“Space Spider可以采集到喙部的微小平面和弧度，使表面積測算十分精準，可達毫米級以下。”

Ryding繼續說(shuō)道：“我會(huì )直接使用這些測量數據，但如果我需要進(jìn)行幾何或形態(tài)分析，那我或其他研究員也可以利用這些Space Spider的掃描數據，我只需把掃描以PLY文件導出，即可用于不同應用場(chǎng)景，完成不同任務(wù)?！?

Artec Space Spider捕獲的黃翅澳吸蜜鳥(niǎo)（Phylidonyris novaehollandiae）（供圖：Sara Ryding）

至于如何將這項研究的范圍擴大至其他國家，Ryding希望能有更多研究人員搜集數據，讓大家看到不同區域、大洲甚至半球的各種鳥(niǎo)類(lèi)（或其他動(dòng)物）體形變化的量化數據和對比分析。

三維掃描技術(shù)在生物研究領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用

在她看來(lái)，三維掃描是實(shí)現研究目標的必備工具：“如果我們想簡(jiǎn)化研究過(guò)程，讓不同研究員可以直接對比，那么數據的精準度十分重要。手動(dòng)測量法是不現實(shí)的?！?

Ryding補充道：“有了Space Spider，每只鳥(niǎo)的掃描時(shí)間只需幾分鐘，我們可以采集亞毫米級的表面數據和逼真紋理細節，甚至今后的工作需要都能滿(mǎn)足。”

Artec Space Spider掃描的澳洲綠鸝（Oriolus flavocinctus）（供圖：Sara Ryding）

對于那些無(wú)法獲得高效三維掃描儀的研究人員，Ryding和她的團隊正在通過(guò)比較公式估算值和Space Spider完成的3D尺寸模型，完善現有鳥(niǎo)類(lèi)喙部尺寸估算公式（幾何法）。

具體方法就是找出8個(gè)重要的喙部獨立線(xiàn)段值。隨后，將這些值和同一樣本的3D模型對比，Ryding設計了新的公式，提高了喙部手動(dòng)測量的精度。

Ryding仍在這一領(lǐng)域深耕，她計劃制定更多公式，覆蓋更多物種。