Forscher der australischen La Trobe University haben mit Hilfe der Artec 3D-Scantechnologie einen Millionen Jahre alten Schädel eines Hominiden (Menschenaffen) erfolgreich rekonstruiert. Der Artec Space Spider-3D-Scanner begleitete die Forscher bei jedem Schritt der Ausgrabung und Rekonstruktion des DNH 155-Schädels. Mit dem digitalen 3D-Scan-Ergebnis ließen sich umfangreiche Forschungen durchführen, die mit konventionellen Verfahren nicht möglich gewesen wären.

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Artec 3D LogoJesse Martin, Forscher an der australischen La Trobe University und Mitbegründer des Projekts um die Rekonstruktion eines prähistorischen Schädels namens DNH 155, hat zur vollständigen Wiederherstellung dieses evolutionären Artefakts auf modernste 3D-Scantechnologie zurückgegriffen. Dabei kam ein handgeführter 3D-Scanner von Artec 3D zum Einsatz, der bei jedem Schritt der Ausgrabung und Rekonstruktion des Schädels genutzt wurde.

Als das Team von der Basis in Melbourne nach Südafrika aufbrach, wurde der tragbare 3D-Scanner Artec Space Spider per Handgepäck im Flugzeug transportiert. Bereits wenige Tage später fing der Scanner die ersten DNH 155-Schädelfragmente ein, nachdem diese im südafrikanischen Boden gefunden waren. Nach hunderten von Scans und monatelanger Arbeit vor Ort und im Labor war es möglich, den fertig rekonstruierten Schädel zu scannen, um Bilder für die Forschungsarbeit selbst zu erstellen. Der vollständige Forschungsbericht wurde im November 2020 in Nature Ecology & Evolution unter dem Titel „Drimolen cranium DNH 155 documents microevolution in an early hominin species“ veröffentlicht.

Hintergründe zum Schädel DNH 155

Bei DNH 155 handelt es sich um einen fast vollständig erhaltenen Schädel der Art Paranthropus robustus, einem entfernten Verwandten des heutigen Homo sapiens. Er wurde im Jahr 2018 von der Schülerin Samantha Good im Steinbruch Drimolen Main, nördlich von Johannesburg in Südafrika, ausgegraben. Während die meisten Fossilienfunde lediglich aus einem einzelnen Zahn, einzelnen Knochen oder aus dem Fragment eines Schädels bestehen, wurden die einzelnen Bruchstücke von DNH 155 besonders eng beieinander liegend gefunden. Das bedeutete aber nicht, dass sie einfach wie Teile eines Puzzles zusammengesetzt werden konnten. Ganz im Gegenteil!

Der Beginn der Ausgrabung

Mithilfe der Co-Direktorin Stephanie Baker und Dr. Angeline Leece schnitt Jesse Martin in Drimolen über mehrere Tage hinweg sorgfältig große, fossil eingebettete Sedimentblöcke aus dem Boden heraus. Um zu verhindern, dass die Sedimentblöcke, die aus einfacher Erde bestehen und an der Oberfläche die einzelnen Fragmente enthalten, auseinanderfallen, wurden sie im Zuge der Konservierung mit Kleber aufgegossen. Auf diese Weise konnte alles genau an der Stelle gehalten werden, an der es sich seit Äonen befunden hatte.

Anschließend begoss das Team die Oberfläche der geleimten Sedimentblöcke in regelmäßigen Abständen mit Aceton, um die sich darin befindlichen Fossilien zu lockern. Bevor der Leim wieder trocknen konnte, wurde die Erde vorsichtig millimeterweise abgetragen, abgebürstet oder teilweise sogar unter Zuhilfenahme eines Trinkhalms weggesaugt. Sobald daraufhin eines der Fossilien sichtbar wurde, fing Martin an, das Fragment zusammen mit der gesamten Oberfläche des Sediments mithilfe des 3D-Scanners Artec Space Spiders zu scannen.

Moderne 3D-Scantechnologie revolutioniert althergebrachte Praktiken

Über dieses Vorgehen äußert sich Martin mit der Metapher einer Zwickmühle: Denn einerseits möchte man das Fossil reinigen und konservieren, aber dazu muss es auch gleichzeitig auseinandergenommen werden. Das bedeutet, dass die ursprüngliche Fundstelle zerstört werden muss, um das Fossil wieder genau zusammensetzen zu können. Das 3D-Scannen ermöglicht es, von jeder einzelnen Fossilschicht eine genaue Abbildung zu erstellen, sodass später die Fragmente wieder genau an ihren ursprünglichen Platz zurückgesetzt werden können.

Fundstelle eines DNH 155-Schädels
Fundstelle und Ausgrabungsort des DNH 155-Schädels (Bild © Artec 3D).

Im Laufe von mehr als 300 Stunden gelang es Martin und Leece, genau diesen Plan umzusetzen und mithilfe der parallel laufenden Software Artec Studio eine digitale Sammlung von Scans zu erstellen. Mit wenigen Klicks konnte jedem Fragment nun dessen exakte Abbildung, Fundort und Positionierung zugewiesen werden.

Martin geht auf das Verfahren im Detail ein:

„Da wir bei der Rekonstruktion die größeren Stücke einzeln gescannt haben, erhielten wir auch alle inneren Details des Schädels. Keine herkömmliche Methode hätte in das Innere des Schädels gelangen können, sobald dieser Schädel wieder ganz zusammengesetzt ist. Wenn überhaupt würde hier nur das CT-Scannen in Frage kommen. Weil aber der Scanner Artec Space Spider so schnell ist, war es ein Einfaches für uns, die einzelnen Stücke vor der endgültigen Rekonstruktion zu scannen.“

Martin sagt zu einem der größten Vorteile beim Einsatz von Artec Space Spider weiter:

„Die beiden traditionellen Methoden der Archäologen, nämlich Fotogrammmetrie und die manuelle Vermessung mit Messschiebern und Linealen, erfordern häufigen Griffkontakt mit den Fossilien. Das bedeutet, dass die Fossilien früher oder später zerkratzt und abgesplittert werden, wenn nicht sogar schlimmer.“

Dieser war auch bei der Rekonstruktion von DNH 155 aus den insgesamt über 250 Fragmenten von entscheidender Bedeutung: „Jedes Bestandteil wurde während des manuellen Rekonstruktionsprozesses des Fossils mehrmals gescannt.“ Dadurch erhielten wir eine genaue 3D-Aufzeichnung jeder Iteration während der Rekonstruktion. DNH 155 haben wir mit Space Spider zahlreiche Male vor Ort und auch in unserem Labor an der Universität Johannesburg gescannt.“

Archäologen profitieren von vielen Vorteilen des 3D-Scannens

Um das Fossil in wenigen Minuten präzise vermessen zu können, ist dank der Methode des 3D-Scannens keinerlei Kontakt mehr damit erforderlich. 1.000 Scans eines Hominiden-Schädels können gemacht werden, ohne Schäden zu verursachen. Würden Forscher traditionell vorgehen und dasselbe mit Messschiebern aus Metall oder Kunststoff tun, würde dies zwangsläufig zu Beschädigungen führen. Abgesehen davon, dass anatomische Messungen mit Messschiebern ein enormes Risiko bergen, weil sie eine besondere Positionierung des Fossils erfordern.

In den Sammlungen, die Jesse Martin bislang zu Gesicht bekommen hat, waren immer wieder zerkratzte und abgesplitterte Fossilien, verursacht durch jahrelange Messungen mittels Messschieber. Der 3D-Scanner ermöglicht hingegen eine absolut kontaktlose, aber dennoch präzise Vermessungsmethode.

Digitale Scans bieten Genauigkeit von bis zu 100 Mikrometer

In der Software Artec Studio wiederum nutzte Martin die Löschfunktion, um den Hintergrund zu entfernen, bevor er die Scans ausrichtete. Nach dem Upload und der Zuordnung der Scans in der Cloud folgten weitere Arbeitsschritte, um eventuelle Abweichungen auszumerzen und Dopplungen vorzubeugen. Bei einem solchen Artefakt, wie dem Schädel eines Hominiden, möchte man einen schönen Blick auf alle qualitativen Merkmale werfen, daher wird die Genauigkeit auf 100 Mikrometer eingestellt. Dadurch wird alles ersichtlich, so auch die Schläfenlinien, Schädelnähte, Foramina und vergleichbare andere Merkmale.

Nachdem Martin sichergestellt hatte, dass das Modell digital abgeschlossen war, übertrug er die Textur und exportierte den Scan dann als WRL-Datei. Dazu sagte er:

„Ich wähle WRL nicht nur, weil es ein universelles Format ist, sondern auch, weil ich die Textur von der Geometrie getrennt haben möchte. Wenn Sie diese Art von Arbeit machen, wollen Sie die Farbschicht entfernen können, um die qualitativen Merkmale zu sehen, denn diese kommen regelmäßig zum Einsatz.“

Martin erklärt, wie wichtig es ist, direkt mit der Geometrie des Fossils zu arbeiten. Forscher, die Scans ohne Farbe betrachten, können viel mehr sehen als sie sich zuvor vorgestellt haben und sicherlich wesentlich mehr als bei der Betrachtung des Fossils mit bloßen Augen.

Ein eindrucksvolles Beispiel hierfür sind die Enthüllungen, die dem Team vor einigen Jahren gelangen, als sie den Schädel eines anderen Hominiden (Menschenaffen) mithilfe von Space Spider untersuchten. Während das Fossil etwa zwei Millionen Jahre alt ist, war der Hominide erst zwei oder drei Jahre alt als er starb. Bei Menschen sind die Schädelknochen in jungen Jahren relativ weich, da diese noch wachsen und schlussendlich verschmelzen müssen. So war es auch bei diesem Fossil. Das Gehirn wächst derweil schnell und drückt gegen die Innenseite des noch weichen Schädels. Diesen Druck kann man aber nicht sehen, wenn man den Schädel visuell untersucht. Sogar ausgebildete Forscher sind dazu nicht in der Lage. Für das menschliche Auge sieht es schlicht so aus, als gäbe es Beulen und Kratzer.

3D-Scan-Ergebnis ermöglicht detaillierte Aussagen zu 2 Mio. Jahre altem Gehirn

Verwendet man aber die korrespondierende Software in Verbindung mit dem 3D-Scanner, der noch dazu die Textur entfernt, kann man eindeutig einen detailgetreuen Abdruck eines zwei Millionen Jahre alten Gehirns erkennen. Und dieser Abdruck ist so deutlich zu sehen wie bei einem heutigen modernen CT-Scan. Man kann sogar Details wie die mittleren meningealen Gefäße, Sulkus- und Gyralabdrücke sehen. Man kann leicht interpretieren, welche Bereiche des Gehirns vorhanden sind und welche nicht. Aufgrund der Abdrücke dieses Gehirns auf dem Schädel sind wir nun in der Lage, ein zwei Millionen Jahre altes Gehirn zu untersuchen. Aufgrund der Abdrücke auf dem Schädel ist man nun in der Lage alles in realitätsgetreuen Details erkennen.

Neben der digitalen Forschungsarbeit wurde DNH 155 anhand der mit Space Spider erstellten Scans in 3D ausgedruckt. Das Ergebnis verblüffte dabei nicht nur die direkt beteiligten Wissenschaftler. Einen naturgetreuen 3D-Druck eines extrem zerbrechlichen zwei Millionen Jahre alten Fossils zu sehen, ist selbst für altgediente Forscher eine Besonderheit.

Martin beschreibt, wie wichtig der Grad der Details ist, den Space Spider bei der Rekonstruktion der Schädel von Hominiden erreicht:

„Wir können Schädelfragmente, die wir gescannt haben, in 3D ausdrucken. Diese lassen sich dann einheitlich mit dem eigentlichen Fossil zusammenfügen. Alle Nähte, alle Kanten fügen sich perfekt zusammen.“

Disclaimer: Dieser Beitrag entstand als „Gesponserter Beitrag“ im Rahmen einer Partnerschaft zwischen Artec 3D und dem 3D-grenzenlos Magazin. Inhaltlich verantwortlich für Text und Bild ist Artec 3D. Weitere Berichte zu Artec 3D finden Sie auf der Themenseite.

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