Si è sviluppata una squadra di geoscienziati all'Università di Princeton un metodo creare immagini digitali tridimensionali di campioni di rocce decostruite che possono essere visualizzate da qualsiasi angolazione. Algoritmi, sviluppati dal team, consentono al computer di segmentare le immagini senza pregiudizi umani.

Vicino a cinque anni fa Adam Maloof, professore associato di geoscienza, ha collaborato con SITU Studio per sviluppare The Princeton Grinding Imaging and Reconstruction Instrument, noto come GIRI, che consente agli scienziati di vedere come appaiono le rocce all'interno.

Ora, Maloof e Akshay Mehra, uno studente di dottorato e co-autore dello studio, stanno usando GIRI per sezionare rocce e minerali e studiare fossili.

I carta completa è stato recentemente pubblicato in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Lo studio

Il team ha recentemente utilizzato la GIRI per smentire la credenza comune che Cloudina, una creatura a guscio sottile che viveva in tutto il mondo 545 milioni di anni fa, fosse un costruttore di barriere coralline. In effetti, hanno dimostrato che i fossili di Cloudina sono stati trasportati da altre aree e avevano poco a che fare con la costruzione della barriera corallina.

"Ho pensato di andare a imparare tutti i tipi di questo stupefacente primo biomineralizzatore e primo costruttore di reef, ma Cloudina si è rivelato più simile a un abitante di una barriera corallina", ha detto Maloof in un comunicato.

Molti fossili, compreso quello di Cloudina, erano stati precedentemente resistenti allo studio dettagliato perché le tradizionali macchine a raggi X e TAC non erano in grado di rilevare il contrasto di densità tra i fossili e il minerale circostante.

"Il motivo per cui le radiografie funzionano, o anche la risonanza magnetica, è perché le nostre ossa hanno una densità diversa dalla nostra pelle e dai nostri vasi sanguigni", ha detto Mehra.

"Dato che non c'è differenza tra un fossile e la matrice in cui si trova in alcune di queste rocce, non è possibile distinguere nulla usando una macchina a raggi X. Sarebbe appena tornato come un ritorno bianco. "

Gli scienziati non sono riusciti a capire come appaiono i fossili in 3D da molto tempo.

Quando sono incorporati nella roccia, è difficile eliminarli, secondo Maloof.

"La gente ha fatto le sezioni seriate proprio come allora - ma forse non in questa scala - dove avrebbero spazzato via un piccolo sasso, disegnarlo, macinare un po 'di più, disegnarlo. ... Può essere incredibilmente dispendioso in termini di tempo ", ha affermato in una nota.

La GIRI accelera il processo, elimina gli errori umani e riduce la distruzione di rocce e fossili.

I poteri della GIRI

GIRI può tagliare fette di roccia più piccole di un un percento di millimetro. Ogni fetta di una roccia impiega circa 90 secondi per tagliare e immagine, quindi un tipico campione di un pollice spesso richiede circa un giorno e mezzo per macinare e immagini.

La tecnologia può creare un campione 3D di qualsiasi oggetto solido indipendentemente dal contrasto di densità, e poiché GIRI scatta una fotografia ad alta risoluzione di ogni sezione, gli spettatori vedono sempre la roccia stessa, non solo i contrasti di densità.

"La bellezza di avere un'immagine fisica è che stiamo assistendo a una vera risposta. Stiamo vedendo colori e consistenza ", ha detto Mehra.

Nonostante tutti i vantaggi, i ricercatori riconoscono che la loro tecnica è ancora distruttiva.

"[T] Hat è lo svantaggio", ha detto Maloof in una dichiarazione.

"Ma quello che è così bello è che puoi vedere le fotografie e fare osservazioni dirette: questo è ciò che mi ha cambiato la vita: mi piace che non sia un modello. Puoi solo vederlo. In una data sezione, se trovi qualcosa di eccezionale, puoi semplicemente trovare la sezione e dire "Come è stato?" ... Siamo in un tour virtuale all'interno, piuttosto che guardare le forme d'onda e cercare di interpretarle. "

L'evoluzione della GIRI

Poiché GIRI è stato sviluppato per la prima volta anni fa, gli scienziati hanno apportato numerosi miglioramenti fisici alla macchina.

Hanno ridisegnato e sostituito l'alloggiamento della fotocamera e il meccanismo per la pulizia e la preparazione delle rocce per le fotografie, e hanno installato monitor che registrano la temperatura e l'umidità durante il periodo in cui ogni foto viene scattata.

Oltre ai miglioramenti fisici della macchina, sono stati fatti dei passi per migliorare il funzionamento e l'analisi del software utilizzato in GIRI.

Maloof attribuisce a Akshay la progettazione di soluzioni di apprendimento automatico che consentono al computer di controllo di inviare e ricevere segnali dalla smerigliatrice, verificare l'acquisizione dell'immagine e attivare l'otturatore.

"Da zero, Akshay ha progettato soluzioni di apprendimento automatico per rendere il processo di segmentazione delle immagini automatizzato e affidabile", ha affermato Maloof in una nota.

"Ha sviluppato tecniche che alla fine saranno importanti per qualsiasi applicazione tomografica, inclusa la TC a raggi X. Akshay ha anche sviluppato metodi per effettuare misurazioni quantitative nei volumi 3D ricostruiti. Sareste sorpresi di quanto la modellazione 3D là fuori porti solo alla visualizzazione e all'interpretazione qualitativa, mentre Akshay misura effettivamente le dimensioni, la forma e l'orientamento 3D di queste creature. "

Implicazioni future

Mehra ritiene che la GIRI potrebbe essere uno strumento diffuso utilizzato in paleontologia e geologia.

"In paleontologia e geologia, una cosa che manca è l'applicazione del machine learning o AI per identificare le caratteristiche di interesse", ha detto Mehra.

"Abbiamo notato che gli studenti di paleontologia usciranno e spesso riceveranno una scansione a raggi X o TC di un oggetto e trascorreranno un anno o due a mano a tracciare gli strati e identificare diversi pezzi".

"Ci sono due problemi con questo", ha continuato.

"Uno è che richiede molto tempo, e l'altro è che ti affidi a un individuo per decidere se questo grigio o questo colore rappresenta una cosa o l'altra."

Se c'è un professionista addestrato che è interessato a testare un campione usando GIRI, lui o lei può prendere una fetta o due dall'intero campione ed evidenziare alcune aree per rappresentare cosa possono sembrare i materiali ossei, fossili o rocciosi. Tali informazioni vengono quindi inserite nella rete, progettata per acquisire le informazioni sull'immagine e prendere decisioni su come potrebbe apparire ogni colore di una sezione.

"Ciò consente alla segmentazione di essere eseguita da una macchina, con qualche input da parte di esseri umani, e questo rimuove un certo grado di pregiudizio", ha detto Mehra.

La tecnologia GIRI ha già attirato l'attenzione degli scienziati di tutto il mondo.

I paleontologi hanno raggiunto Maloof e Mehra per chiedere tour virtuali attraverso tutti i tipi di esemplari, incluse creature bombardate, creature terrestri, pesci e ossa di dinosauro.

Gli scienziati planetari sono interessati alla GIRI perché la dissezione di piccoli grani chiamati condruli potrebbe dare un'idea di come si formano i pianeti.

I produttori di batterie e gli ingegneri sono interessati a testare le rocce del reservoir per il sequestro del carbonio e vogliono macinare le batterie di grafite per valutare le strutture 3D della porosità nel carbonio.

"Non c'è davvero alcun limite ai contributi che GIRI può dare", ha detto Maloof in una dichiarazione.

"Questo rappresenta cinque anni di lavoro. È l'unico strumento al mondo che piace. "