Satu pasukan pakar geosains di Universiti Princeton telah berkembang satu kaedah untuk membuat imej digital tiga dimensi sampel batu yang dibongkarkan yang boleh dilihat dari sudut mana-mana. Algoritma, yang dibangunkan oleh pasukan, membenarkan komputer untuk menyatukan imej tanpa bias manusia.

Dekat lima tahun yang lalu Adam Maloof, seorang profesor geosains bersekutu, bekerjasama dengan SITU Studio untuk membangunkan The Princeton Grinding Imaging and Reconstruction Instrument, yang dikenali sebagai GIRI, yang membolehkan para saintis melihat apa yang kelihatan seperti batu di dalamnya.

Sekarang, Maloof dan Akshay Mehra, seorang pelajar doktor dan pengarang bersama kajian itu, menggunakan GIRI untuk membedah batu dan mineral dan fosil kajian.

. kertas penuh baru-baru ini diterbitkan dalam Prosiding Akademi Sains Kebangsaan.

Kajian ini

Pasukan baru-baru ini menggunakan GIRI untuk membuktikan kepercayaan umum bahawa Cloudina, makhluk tipis yang hidup di seluruh dunia 545 juta tahun lalu, adalah pembina karang. Sebenarnya, mereka membuktikan bahawa fosil Cloudina diangkut dari kawasan lain dan tidak mempunyai kaitan dengan bangunan karang.

"Saya fikir kita akan mempelajari segala macam tentang biomineralizer pertama dan pembina terumbu pertama ini, tetapi Cloudina ternyata lebih seperti penghuni terumbu karang," kata Maloof dalam satu kenyataan.

Banyak fosil, termasuk Cloudina, sebelum ini telah tahan terhadap kajian terperinci kerana mesin X-ray tradisional dan mesin imbasan CT tidak dapat mengangkat perbezaan ketumpatan antara fosil dan mineral sekitarnya.

"Sebab-sebab sinar X bekerja, atau bahkan kerja MRI, adalah kerana tulang kita mempunyai kepadatan yang berbeza daripada kulit dan saluran darah kita," kata Mehra.

"Oleh kerana tidak ada perbezaan antara fosil dan matriks di mana ia berada dalam beberapa batu, anda tidak dapat memberitahu apa-apa selain menggunakan mesin X-ray. Ia hanya akan kembali sebagai kepulangan putih. "

Para saintis telah gagal untuk mengetahui apa fosil kelihatan seperti dalam 3D untuk masa yang lama.

Apabila mereka tertanam di dalam batu, sukar untuk mengeluarkannya, menurut Maloof.

"Orang-orang melakukan bahagian bersiri seperti sekarang ini - tetapi mungkin tidak pada skala ini - di mana mereka akan menggiling batu kecil, menariknya, menggiling sedikit lagi, menariknya. ... Ia boleh menjadi sangat memakan masa, "katanya dalam satu kenyataan.

GIRI mempercepat proses, menghapuskan kesilapan manusia, dan mengurangkan pemusnahan batu dan fosil.

Kuasa GIRI

GIRI boleh memotong kepingan batu yang lebih kecil daripada satu peratus milimeter. Setiap keping di dalam batu mengambil masa 90 untuk memotong dan imej, jadi sampel biasa tebal inci mengambil kira-kira sehari setengah untuk mengisar dan imej.

Teknologi ini boleh membuat sampel 3D dari mana-mana objek pepejal tidak kira kontras ketumpatan, dan kerana GIRI mengambil gambar resolusi tinggi setiap keping, penonton sentiasa melihat batu itu sendiri, bukan sahaja perbezaan ketumpatannya.

"Keindahan mempunyai imej fizikal adalah kita melihat tindak balas sebenar. Kami melihat warna dan tekstur, "kata Mehra.

Walaupun semua kelebihannya, para penyelidik menyedari bahawa teknik mereka masih merosakkan.

"Hat adalah kelemahan," kata Maloof dalam satu kenyataan.

"Tetapi apa yang sangat baik ialah anda dapat melihat gambar-gambar dan membuat pemerhatian langsung: Itulah yang mengubah kehidupan saya: Saya suka itu bukan model. Anda boleh melihatnya. Pada mana-mana kepingan yang diberikan, jika anda menemui sesuatu yang hebat, anda boleh mencari kepingan itu dan berkata, 'Apa rupanya?' ... Kami sedang dalam lawatan maya di dalam, bukannya melihat bentuk gelombang dan cuba menafsirkannya. "

Evolusi GIRI

Sejak GIRI pertama kali dibangun tahun lalu, saintis telah membuat beberapa peningkatan fizikal ke mesin.

Mereka telah direka semula dan menggantikan perumahan kamera dan mekanisme untuk membersihkan dan menyediakan batu untuk gambar, dan mereka telah memasang monitor yang mencatat suhu dan kelembapan semasa setiap gambar diambil.

Sebagai tambahan kepada penambahbaikan fizikal kepada mesin, terdapat langkah-langkah yang diambil untuk meningkatkan perisian berjalan dan menganalisis yang digunakan dalam GIRI.

Maloof kredit Akshay dengan merancang penyelesaian pembelajaran komputer yang membolehkan komputer kawalan menghantar dan menerima isyarat daripada penggiling, mengesahkan tangkapan imej, dan mencetuskan pengatup.

"Dari awal, Akshay telah merancang penyelesaian pembelajaran komputer untuk membuat proses pemotongan imej automatik dan boleh dipercayai," kata Maloof dalam satu kenyataan.

"Dia telah membangunkan teknik yang akhirnya akan menjadi penting untuk sebarang aplikasi tomografi, termasuk CT X-ray. Akshay juga telah mengembangkan cara untuk membuat ukuran kuantitatif dalam jumlah 3D yang dibina semula. Anda akan terkejut betapa pemodelan 3D di luar sana hanya membawa kepada visualisasi dan tafsiran kualitatif, sedangkan Akshay sebenarnya mengukur saiz, bentuk dan orientasi 3D makhluk-makhluk ini. "

Implikasi masa depan

Mehra percaya bahawa GIRI boleh menjadi alat yang luas digunakan dalam paleontologi dan geologi.

"Dalam paleontologi dan geologi, satu perkara yang hilang adalah penggunaan mesin pembelajaran atau AI untuk mengenal pasti ciri-ciri yang menarik," kata Mehra.

"Kami telah menyedari bahawa pelajar paleontologi akan keluar dan sering kali mendapat sinar X atau imbasan CT objek dan menghabiskan masa setahun atau dua tangan mengesan lapisan dan mengenal pasti kepingan yang berbeza."

"Terdapat dua isu dengan itu," katanya.

"Satu adalah bahawa ia memakan masa yang lama, dan yang lain adalah bahawa anda bergantung pada individu untuk membuat keputusan mengenai sama ada kelabu atau warna ini mewakili satu perkara atau yang lain."

Sekiranya terdapat seorang profesional yang terlatih yang berminat menguji sampel menggunakan GIRI, dia boleh mengambil satu atau dua keping dari keseluruhan sampel dan menyerlahkan beberapa bidang untuk menggambarkan apa bentuk tulang, fosil, atau batu. Maklumat itu kemudiannya dimasukkan ke dalam rangkaian, yang direka untuk mengambil maklumat imej dan membuat keputusan tentang apa yang setiap warna dalam keping kelihatan seperti.

"Ini membolehkan segmentasi dilakukan oleh mesin, dengan beberapa input dari manusia, dan itu menghilangkan tahap berat sebelah," kata Mehra.

Teknologi GIRI telah menarik perhatian para saintis di seluruh dunia.

Ahli paleontologi telah sampai ke Maloof dan Mehra untuk meminta lawatan maya melalui pelbagai spesimen, termasuk makhluk, makhluk tanah, ikan, dan tulang dinosaur.

Para ahli sains planet berminat dengan GIRI kerana membelah bijirin kecil yang disebut chondrules dapat memberikan gambaran tentang bagaimana planet dibentuk.

Pembuat bateri dan jurutera berminat untuk menguji batuan reservoir untuk penyerapan karbon, dan mahu mengisar bateri grafit untuk menilai struktur 3D dari keliangan dalam karbon.

"Tidak ada batasan untuk sumbangan yang boleh dibuat oleh GIRI," kata Maloof dalam satu kenyataan.

"Ini mewakili lima tahun kerja. Ia satu-satunya alat di dunia seperti itu. "