挑戰(zhàn): 作為長(zhǎng)期研究的一部分，以非接觸方式快速3D掃描數(shù)百顆活體珊瑚，以了解由微塑料與氣候變化對(duì)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(nèi)對(duì)個(gè)體珊瑚進(jìn)行3D掃描，獲得精度高達(dá)亞毫米級(jí)的精確物理測(cè)量值。
為什么選擇Artec 3D? 測(cè)量珊瑚的傳統(tǒng)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(rùn)鮮活的狀態(tài)，能在1分鐘內(nèi)送回水族箱，完全不會(huì)損傷它們脆弱和敏感的蟲體。意味著這些珊瑚在研究期間和今后得以存活并茁壯成長(zhǎng)。
珊瑚礁作為復(fù)雜多樣的海洋生態(tài)系統(tǒng)，為全世界大約7000-8000種幼年海水魚提供安全的避難所。其周圍有著豐富的食物，小魚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(rèn)為的，珊瑚是脆弱而敏感的生物。每顆珊瑚都由數(shù)百至數(shù)千的被稱為“珊瑚蟲”的小生物組成。這些珊瑚蟲長(zhǎng)度通常有1-10毫米，大約有硬幣厚，在堅(jiān)硬的石灰?guī)r骨架上覆蓋著柔軟的外部結(jié)構(gòu)。
罩柱群珊瑚特寫（Stylophora pistillata）。圖片來源：Jessica Reichert博士
瀕臨滅絕
在無情的環(huán)境壓力下，自1950年以來，由于氣候變化、過度捕撈和污染，世界一半以上的珊瑚礁已經(jīng)消失。幸存的珊瑚礁中，多達(dá)90%可能無法存活過下一個(gè)百年。
如果所有的珊瑚都消失了，那么魚類也將消失，它們的滅絕將是不可逆轉(zhuǎn)的。
更不用說將在全球范圍內(nèi)造成廣泛的影響，包括數(shù)以百萬的魚類和其他海洋生物，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的長(zhǎng)期影響。
Jessica Reichert博士，Artec Spider，和罩柱群珊瑚（Stylophora pistillata）。圖片來源：Jessica Reichert博士
吉森大學(xué)的Ocean2100水族館設(shè)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(duì)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(shè)施。圖片來源：Patrick Schubert博士
創(chuàng)建適合的條件
這個(gè)特別設(shè)計(jì)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(dú)控制、全天候的監(jiān)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。
各種類型和大小不同的微塑料。圖片來源：Jessica Reichert博士
Reichert和她的團(tuán)隊(duì)目前正在研究30種石珊瑚和20多種其類型的珊瑚礁生物。
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(duì)不同珊瑚物種進(jìn)行長(zhǎng)期的研究尤為重要。傳統(tǒng)60至90天的研究時(shí)間根本不足以測(cè)量和了解正在發(fā)生的物理變化。
即使將研究時(shí)間延長(zhǎng)，團(tuán)隊(duì)的測(cè)量?jī)x也會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。珊瑚蟲生長(zhǎng)是幫助科學(xué)家研究環(huán)境壓力對(duì)珊瑚影響的重要參數(shù)之一。
巴厘島（印度尼西亞）的珊瑚礁。圖片來源：Jessica Reichert博士
然而，使用熱蠟或鋁箔的傳統(tǒng)方法來確定珊瑚的尺寸，對(duì)個(gè)體活珊瑚進(jìn)行精確、重復(fù)的測(cè)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。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(cè)量所增加的重量。
不幸的是，珊瑚永遠(yuǎn)無法通過這一過程的考驗(yàn)，因此，只能對(duì)具有不同尺寸的相鄰珊瑚進(jìn)行后續(xù)的測(cè)量。
雖然也可以使用鋁箔來進(jìn)行類似的測(cè)量，但準(zhǔn)確度則低得多。要使珊瑚在此過程中存活下來，研究人員需要漫長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行非常緩慢地移動(dòng)，然而得到的結(jié)果并不敏銳，無法量化珊瑚的緩慢生長(zhǎng)速度（每月0.8至5毫米）。
引入新技術(shù)
但吉森大學(xué)并沒有使用這兩種過時(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(cè)量方式。
Artec Spider與等待掃描的藍(lán)珊瑚（Heliopora coerulea）。圖片來源：Jessica Reichert博士
通過微小的接觸，不僅所有的珊瑚都能在每次測(cè)量過程中存活下來，而且完成整個(gè)掃描過程所需的時(shí)間不到1分鐘。
這對(duì)研究人員的工作效率有著深遠(yuǎn)的影響。用Reichert的話說：“我通常用一下午的時(shí)間就可以掃描大約50顆珊瑚，或者在一天內(nèi)掃描完100顆。過去我們從沒能如此高效地工作，更不用說百分百保證珊瑚的安全了。”
“一項(xiàng)長(zhǎng)期掃描項(xiàng)目包含了300顆珊瑚。它們必須緊密地放在一起進(jìn)行掃描，假使我沒有Spider，必須使用老辦法來進(jìn)行，就需要多名研究人員共同參與測(cè)量珊瑚，或者不得不放棄精確度，因?yàn)槲腋静豢赡茉谶@么短的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)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(zhuǎn)盤上，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”的方法來固定某些類型的珊瑚，這使他們能夠從上到下掃描完整的珊瑚，而無需重新定位。
Spider掃描水分的能力也被印證是有效的。Reichert說：“即使珊瑚被水浸泡過，Spider也能正確地捕捉它們，而不會(huì)出現(xiàn)任何反射方面的問題。我們通過測(cè)試掃描設(shè)置時(shí)發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。”
她繼續(xù)說，“使用Spider可以自定義設(shè)置，能夠掃描任何我們需要的目標(biāo)。這樣一來，可能無需再使用其他的設(shè)備進(jìn)行掃描了。”
例如，當(dāng)掃描顏色淺、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的珊瑚時(shí)，他們會(huì)應(yīng)用較高的靈敏度設(shè)置，以采集微小、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。相反，對(duì)于顏色較深、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的珊瑚，他們則會(huì)降低靈敏度。在初期，該團(tuán)隊(duì)就總結(jié)出了每顆珊瑚物種的掃描儀設(shè)置。
Spider掃描柱狀珊瑚（S. pistillata）的屏幕截圖（有紋理和無紋理）。圖片來源：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(dǎo)出到MeshLab。該團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建了自己的Python腳本用來自動(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(shù)學(xué)家André R. Backes，開發(fā)了一個(gè)C語言程序，用于分析珊瑚的分形維數(shù)，主要目的是研究珊瑚的復(fù)雜性，以及它們之間的相似性。
研究人員的發(fā)現(xiàn)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(zhǎng)和健康。珊瑚正在通過吞食微塑料來清潔它們周圍的水域，將微塑料誤以為是食物，嵌入了珊瑚的骨架當(dāng)中。
嵌入珊瑚碳酸鈣骨架中的微塑料。圖片來源：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?zhǔn)资莵碓从谄囕喬サ哪p、合成服裝和油漆顆粒。
Reichert和她的團(tuán)隊(duì)正在調(diào)查攝入的微塑料是否削弱了珊瑚的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致它們更易破損。如果這一假設(shè)成立，將進(jìn)一步揭示出全球海岸線面臨著失去唯一阻擋風(fēng)暴和海嘯的天然屏障：珊瑚礁。
除了對(duì)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?nèi)祟惖?/span>DNA。
談到這些后果，Reichert說：“我們正在研究未來的影響，如果現(xiàn)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(zé)任立即解決。”
Reichert和她的同事們還關(guān)注氣候變化對(duì)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?yàn)檫@對(duì)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(diào)查珊瑚發(fā)生形態(tài)上的變化是否有來自波浪的影響。由于珊瑚受到其周圍環(huán)境的強(qiáng)烈影響，而水中存在強(qiáng)大的水流，導(dǎo)致珊瑚的生長(zhǎng)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，來自哥倫比亞國(guó)立大學(xué)Sede Caribe海洋學(xué)和沿海生態(tài)系統(tǒng)研究組（OCEáNICOS）的Juan David Osorio Cano，I.C，M. Ing博士，根據(jù)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，用來分析珊瑚形狀變化對(duì)其周圍水流的影響。
在3D打印前，使用Blender準(zhǔn)備柱狀珊瑚（S. pistillata）的3D模型。圖片來源：Juan David Osorio Cano博
使用3D打印的珊瑚，研究人員們?cè)诿看螌?shí)驗(yàn)中都能得到精確的珊瑚尺寸。因此大小和形狀的變量恒定，而沒有發(fā)生任何因處理不當(dāng)而導(dǎo)致的珊瑚死亡。
Reichert強(qiáng)調(diào)，“毫不夸張地說，如果我們沒有用Spider進(jìn)行3D掃描，這項(xiàng)研究是不可能推進(jìn)的。我們以前從未能夠如此準(zhǔn)確地追蹤珊瑚生長(zhǎng)和形狀隨著時(shí)間所發(fā)生的變化。但現(xiàn)在我們有能力做到這一切。”
并補(bǔ)充說：“任何受過觀察力訓(xùn)練的研究人員都可以監(jiān)測(cè)珊瑚，看到它們的形狀變化，但從科學(xué)的角度來說，還是不夠的。使用Spider掃描儀，可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)定，以準(zhǔn)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）。圖片來源：Juan David Osorio Cano博士
Reichert和她的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)在吉森大學(xué)研究許多不同種類的珊瑚。
然而，還有更多的東西有待我們?nèi)ヌ剿鳎焊淖兩汉餍螤畹亩喾N方式，導(dǎo)致這些變化的因素，在珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)層面應(yīng)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(duì)生活在這些珊瑚礁中的魚類，乃至對(duì)人類來說，將會(huì)造成怎樣的后果。
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