巨型恐龙如何行走?别被《侏罗纪公园》骗了!

国际金属加工网 2017年08月14日

英国曼彻斯特大学克隆猛犸象的计划已经在进行中了,复活猛犸象可以说是生物研究领域最简单的事情了,那么恐龙呢?曼彻斯特大学的科学家使用尖端科技,将身长 12 米的霸王龙也复活了,好吧,是在电脑上。

该校地球与环境科学学院的研究人员利用最先进 3D 建模技术和机器学习,复原了霸王龙的生物力学信息。得到的一个重要结论就是:导演斯蒂芬·斯皮尔伯格向观众们“撒了谎”,电影《侏罗纪公园》系列根本经不起推敲。

如果你看过《侏罗纪公园》,一定会对其中的“大反派”霸王龙印象深刻(学名为雷克斯暴龙,Tyrannosaurus Rex),其身高40英尺(约12.2米)、体型庞大杀伤力巨大,可谓是绝对的狩猎霸王!

电影里,霸王龙突然现身攻击科学家们的吉普车,虽然身形巨大但速度很快,几乎追上了吉普车差点把科学家们收入腹中。仔细想想,几乎我们看过的恐龙题材的电影,霸王龙都是速度快、凶猛的样子,但其实,我们可能被骗了好多年!

英国曼彻斯特大学采用3D Systems公司出品的3D扫描与Geomagic Wrap(原Studio )扫描数据处理软件,用于创建史前与现代动物的3D模型,并模拟它们的姿态。

如今,我们都已经习惯在大片里看那些用电脑特技与动画技术描绘或创造的史前动物与它们的“自然”栖息环境。来自英国曼彻斯特大学动物学的项目主管Bill•Sellers也在利用3D数字建模与动画还原史前动物,从表面上看,似乎没有什么特别之处。但事实并非如此,Sellers所构建的史前动物比电影中的动画特技要真实得多,即使是全球最卖座的大片也相形见绌。

但是Sellers博士并不是电影工作者。他的任务是揭示和了解人类与动物的进化史:比如从生理学角度来说,我们是如何进化成今天的模样,以及史前动物与现代动物及人类在数百万年的进化中产生了哪些不同。

为了顺利完成自己的任务,Sellers博士花了大量时间在英国曼彻斯特大学的动物模拟实验室,利用史前动物与现代动物骨骼的3D扫描数据创建精准的动物骨骼3D数字模型。然后,再利用这些3D模型,结合曼彻斯特大学自主研发的GaitSym软件程序模拟动物的姿态。

在利用3D扫描数据形成最终的电脑模拟的过程中,Geomagic Wrap(原Studio )扫描数据处理软件扮演着至关重要的角色。这是一款在全球广泛应用的3D成像与逆向建模软件,可以将捕捉到的实体3D扫描数据转换成准确的3D数字模型,用于一系列下游应用之中。

广泛的需求

Sellers博士与其团队在曼彻斯特创建的数字模型与模拟在大量行业人士中都有着广泛的需求:从动物学家到运动科学家,到博物馆馆长再到兽医,等等。

“只有通过创建3D虚拟模型并进行动作模拟,我们才能真正了解自己机体运作背后的原理,这样的例子数不胜数。”Sellers博士说。“比如,如果你想道某样东西有什么作用,在生物学中的标准做法就是移除该物体,然后观察会带来什么影响。但现实中根本无法做到。而通过使用数字模型与模拟,生物学与生理学实验就可以不再需要使用活体动物——或人了”。

然后,他举了跟腱及跟腱在人体中有何作用的例子。猿类没有跟腱,因此它们无法像人类一样奔跑。所以跟腱对于人类奔跑的能力十分关键。我们利用动画模拟研究跑步时的机制,并通过更改数字模型中的参数研究跟腱所扮演的角色及其弹性特性,也就是所,我们可以据此对运动员的表现改善作出预测。

他同样指出,如今已经很难获得用于教学与研究的哺乳动物骨骼。所以具备解剖学准确性的虚拟模型对全世界的科学家而言都是极为有益的。同样也可以用于人类学研究,以及医疗与生理应用,甚至可能能够有助于人体修复的发展。

从实体转换为数字

为了实现将实体转换为数字的过程,Sellers博士首先对需要研究的骨骼进行3D扫描。扫描的骨骼可以是来自博物馆的化石,也可是实验室中死亡的现代动物的骨骼。无论哪种情况,都可以通过激光扫描仪,CT(计算机断层扫描)或是LiDAR(激光定位)扫描仪完成扫描。

获得扫描数据后,不管是其形式是点云还是多边形——这主要取决于使用的是哪种扫描仪——统统读入Geomagic Wrap(原Studio )扫描数据处理软件中,进行关键的下一步操作,以便生成准确的、“无懈可击”的3D数字多边形曲面模型。

数据读入Geomagic Wrap软件后,用于捕捉完整骨骼信息的多次扫描数据相互登记合并,继而生成一个3D扫描数据模型。

“建模过程中,Geomagic Wrap最有用的工具当属‘折痕角度选择’。”Sellers博士说。“通过使用该工具,3D扫描数据中耗时耗力的骨骼分离工作可以更快更好地完成。”

当统一的扫描数据模型建立整理完毕后,可通过Geomagic Wrap的一键功能将多边形曲面打包,然后自动转换成多边形曲面模型,而且还可以进行进一步的编辑。

编辑内容包括填充模型中出现的孔洞,这些孔洞往往是由于扫描仪无法“看见”骨骼中被其他部分遮挡的部分而造成的;或是修复网格,这对于改善模型的准确性而言同样必不可少。这个是软件的网格医生工具,它的用处可不小,它可以自动检测并修正多边形网格中的错误,从而得到更高质量,表面更加光滑的多边形模型。

“如果是相对而言比较简单的物体,比如像股骨的话,网格医生每次都会将其固定,从而避免耗时费力的人工编辑。”Sellers博士说。“不过,对于更加复杂的‘尖锐’物体,比如像椎骨的话,我就会选择人工多边形编辑工具。尽管总的来说还是比较累。”他继续说。“但网格医生功能的确帮我们节省了大量的时间与精力。”

当一套完整骨骼的3D多边形模型成品创建完成后,除去其中的十分之九,以减少多边形的数量,以便能够在下一步将其顺利导入其他软件当中。

“Geomagic Wrap(原Studio)软件创建出的骨骼模型看上去就像是在实验室或是博物馆中看到的那样,摆着‘引人注目’的造型。”Sellers博士说。“我们希望骨骼模型能够站直身子,这样显得比较匀称。所以我们利用软件移动各个部分摆出我们想要的姿态——从而得到一个简单明了,同时又符合解剖学知识的模型。”

然后,再将重新摆过姿态的模型导入曼彻斯特大学资助研发的模拟软件GaitSym中。

模拟姿态

GaitSym主要由两大部分组成。通过使用第一个部分,Sellers博士得以鉴别骨骼上的肌肉与肌腱附着点,并利用已知的数据得出不同肌肉的尺寸与力量。通过该过程,我们可以得到一个完整且准确的动物骨肌模型。随后,利用GaitSym激活各块肌肉与肌肉群。由于该软件包含有肌肉与肌腱的生理模型,所以该软件清楚在特定激活状态下一块肌肉的收缩力度是多少,从而按照其收缩力度移动指定肌肉。

软件的第二个部分是最精彩的地方。该部分使用AI(人工智能)算法生成激活模式,使Sellers博士得以准确地模拟动物行走或奔跑时的姿态。这通常需要世界最强劲的计算机网络才能够做到。其目标在于使“动物”尽可能使用最少的能量,或最快的时间从A点走向或跑向B点。模拟动画可以展示动物模型的行走与跑步姿态的完成情况,使用的能量——或是否会出现中途跌倒的情况。

英国曼彻斯特大学的科学家们,运用基于N8高性能计算机系统的尖端AI技术,模拟出霸王龙的3D形态,并且具有机器学习特性,获得了一些关于霸王龙生物力学的新数据。

数据证明:《侏罗纪公园》里的霸王龙不够真实!

研究人员Sellers博士表示,古生物学对于霸王龙的行进速度一直颇有争议,有人认为其速度快、有人则认为它走得很慢。这个部分其实很重要,因为这关系到霸王龙的捕食状态。科学家们进行了多年的研究,使用工程和机器人、AI技术进行生物运动研究,试图寻找出答案。

早在2013年,曼彻斯特大学就使用激光扫描和计算机逆向建模还原了阿根廷恐龙,一种巨大的、温顺的食草系恐龙;而此次霸王龙研究的突破在于,在模拟还原中加入了机器学习的AI算法,使其运动形态更符合逻辑性。

Sellers博士解释道:没人知道霸王龙是怎么走路,但是在AI算法中加入一定的客观标准比如“不弄断任何骨头”等符合生物生长逻辑、客观规律的调条,就能相对更真实地模拟出霸王龙的活动状态。

所以研究结论是:霸王龙的行进速度其实并不快、或者说它根本不会跑。究其原因,主要是因为霸王龙的骨骼结构笨重而庞大,使其无法高速追捕猎物。事实上,它走路都很困难。也就是说,霸王龙其实是一个伺机行动的捕食者、而不是大摇大摆地跑到猎物面前,展开追逐战。

总 结

正如Sellers博士所说,他本人也主要是受其对专业的好奇心所驱使。他的目的是通过研究史前动物了解现代动物的运动模式。他希望找出解剖学中哪些是重要的,而哪些又是不重要的,以及动物的进化道路——或致使进化停滞的因素。

然而,应用他本人研究结果的主要是——按照他的说法,是基础科学领域——而基础科学又取决于其他人:人类学家、科学家、生物学家、兽医、运动科学家、博物馆馆长,甚至包括纪录片的拍摄者。比如,最近英国威尔士某动物园里的一头黑猩猩死了。它的遗骸被带到了利物浦兽医学院,进行骨骼扫描。扫描后的数据发送给了位于曼彻斯特的Sellers博士,然后他利用这些数据创建了一个可以运动的虚拟3D模型,随后该模型被利物浦兽医学院以教学目的在使用。

再举一个不久前的例子,最近在德国出了一头腕龙的化石,然后对该化石进行了扫描与建模。目的在于了解这头腕龙的原本体重,此前人们曾估计它大约有16至70吨重。通过建立精准的3D骨骼模型,并利用从现代动物身上研究得出的已知数据,Sellers博士最终得出这头腕龙生前的体重大约在23吨左右。

还有许许多多的例子。不过如果要总结Sellers博士所做的工作的话,正如他本人所说,“我们在曼彻斯特大学开发的这套流程,是为了让人们在今后再进行重要的生物生理实验的时候,不再需要使用活体动物——人类或其他材料了。Geomagic Design X(原Studio)软件在该套流程中至关重要,没有它的话,我们不可能如此轻松地达成今天的成就。”

所以说,尽管最终得到的结果对以娱乐为目的的电影拍摄者而言有点过于真实了,但却为世界的科学发展做出了贡献。

(3DSystems)

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