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挑戰(zhàn): 作為長期研究的一部分，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分鐘內對個體珊瑚進行3D掃描，獲得精度高達亞毫米級的精確物理測量值。
為什么選擇Artec 3D? 測量珊瑚的傳統(tǒng)方法是具有破壞性的，經常會造成珊瑚的死亡。但是使用Artec Spider掃描，每顆珊瑚都保持濕潤鮮活的狀態(tài)，能在1分鐘內送回水族箱，完全不會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。
珊瑚礁作為復雜多樣的海洋生態(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。這些珊瑚蟲長度通常有1-10毫米，大約有硬幣厚，在堅硬的石灰?guī)r骨架上覆蓋著柔軟的外部結構。
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消失。幸存的珊瑚礁中，多達90%可能無法存活過下一個百年。
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的。
更不用說將在全球范圍內造成廣泛的影響，包括數(shù)以百萬的魚類和其他海洋生物，以及相關產業(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
吉森大學的Ocean2100水族館設施使研究人員有能力模擬全球氣候變化的環(huán)境，從而研究其對珊瑚、礁石和生活在其中的生物所造成的影響。
吉森大學的Ocean2100水族館設施。圖片來源：Patrick Schubert博士
創(chuàng)建適合的條件
這個特別設計的水族館，海水容量有近9000升，由18個265升的水族箱組成，分別進行單獨控制、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和她的團隊目前正在研究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。這就是為什么針對不同珊瑚物種進行長期的研究尤為重要。傳統(tǒng)60至90天的研究時間根本不足以測量和了解正在發(fā)生的物理變化。
即使將研究時間延長，團隊的測量儀也會影響結果的準確性。珊瑚蟲生長是幫助科學家研究環(huán)境壓力對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，對個體活珊瑚進行精確、重復的測量幾乎是不可能的。
盡管如今仍在沿用這兩種方法，但局限性顯而易見。熱蠟法是將個體珊瑚浸入滾燙的石蠟中，然后待蠟殼完全凝固后測量所增加的重量。
不幸的是，珊瑚永遠無法通過這一過程的考驗，因此，只能對具有不同尺寸的相鄰珊瑚進行后續(xù)的測量。
雖然也可以使用鋁箔來進行類似的測量，但準確度則低得多。要使珊瑚在此過程中存活下來，研究人員需要漫長的時間進行非常緩慢地移動，然而得到的結果并不敏銳，無法量化珊瑚的緩慢生長速度（每月0.8至5毫米）。
引入新技術
但吉森大學并沒有使用這兩種過時的方法。相反，他們采用了Artec Spider的3D掃描作為他們的首選測量方式。
Artec Spider與等待掃描的藍珊瑚（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量過程中存活下來，而且完成整個掃描過程所需的時間不到1分鐘。
這對研究人員的工作效率有著深遠的影響。用Reichert的話說：“我通常用一下午的時間就可以掃描大約50顆珊瑚，或者在一天內掃描完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。”
“一項長期掃描項目包含了300顆珊瑚。它們必須緊密地放在一起進行掃描，假使我沒有Spider，必須使用老辦法來進行，就需要多名研究人員共同參與測量珊瑚，或者不得不放棄精確度，因為我根本不可能在這么短的時間內完成測量所有的珊瑚，”Reichert解釋道。
關于掃描的流程，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，其中一名研究人員從水族箱中取出珊瑚并放置在轉盤上，而另一名研究人員則用Spider進行掃描。
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，而不會出現(xiàn)任何反射方面的問題。我們通過測試掃描設置時發(fā)現(xiàn)了這一點。”
她繼續(xù)說，“使用Spider可以自定義設置，能夠掃描任何我們需要的目標。這樣一來，可能無需再使用其他的設備進行掃描了。”
例如，當掃描顏色淺、結構復雜的珊瑚時，他們會應用較高的靈敏度設置，以采集微小、復雜的結構。相反，對于顏色較深、結構簡單的珊瑚，他們則會降低靈敏度。在初期，該團隊就總結出了每顆珊瑚物種的掃描儀設置。
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格式導出到MeshLab。該團隊還創(chuàng)建了自己的Python腳本用來自動分析珊瑚模型的表面積和體積。
Spider掃描的同時還顯示了另外的重要潛能。巴西同事——數(shù)學家André R. Backes，開發(fā)了一個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，罪魁禍首是來源于汽車輪胎的磨損、合成服裝和油漆顆粒。
Reichert和她的團隊正在調查攝入的微塑料是否削弱了珊瑚的結構，導致它們更易破損。如果這一假設成立，將進一步揭示出全球海岸線面臨著失去唯一阻擋風暴和海嘯的天然屏障：珊瑚礁。
除了對環(huán)境的破壞，研究表明微塑料具有神經毒性，甚至能夠改變人類的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年后會發(fā)生什么。必須及時悔改，我們有能力和責任立即解決。”
Reichert和她的同事們還關注氣候變化對珊瑚造成的影響，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，因為這對珊瑚骨架的形成造成了巨大的影響。
研究人員正在進一步調查珊瑚發(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)境的強烈影響，而水中存在強大的水流，導致珊瑚的生長在微弱或中等的水流情況下的不同。
考慮到這一點，Reichert的同事，來自哥倫比亞國立大學Sede Caribe海洋學和沿海生態(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的掃描進行3D打印珊瑚模型，并放置在風浪水槽中，用來分析珊瑚形狀變化對其周圍水流的影響。
在3D打印前，使用Blender準備柱狀珊瑚（S. pistillata）的3D模型。圖片來源：Juan David Osorio Cano博
使用3D打印的珊瑚，研究人員們在每次實驗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)生任何因處理不當而導致的珊瑚死亡。
Reichert強調，“毫不夸張地說，如果我們沒有用Spider進行3D掃描，這項研究是不可能推進的。我們以前從未能夠如此準確地追蹤珊瑚生長和形狀隨著時間所發(fā)生的變化。但現(xiàn)在我們有能力做到這一切。”
并補充說：“任何受過觀察力訓練的研究人員都可以監(jiān)測珊瑚，看到它們的形狀變化，但從科學的角度來說，還是不夠的。使用Spider掃描儀，可以對其進行測定，以準確顯示形狀發(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和她的團隊繼續(xù)在吉森大學研究許多不同種類的珊瑚。
然而，還有更多的東西有待我們去探索：改變珊瑚形狀的多種方式，導致這些變化的因素，在珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)層面應用這些技術的方式，最終，了解珊瑚礁的多樣性將受到怎樣的影響，對生活在這些珊瑚礁中的魚類，乃至對人類來說，將會造成怎樣的后果。
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