p Você já desejou viajar dentro de uma rocha? Pode soar mais como mágica do que ciência, mas os cientistas de Princeton descobriram uma maneira de torná-lo (quase) verdadeiro. p Com um moedor industrial e uma câmera de super alta resolução, Os geocientistas de Princeton Adam Maloof e Akshay Mehra podem desconstruir amostras de rochas e criar versões digitais tridimensionais que os cientistas podem observar de qualquer ângulo. Além disso, eles desenvolveram um software que permite ao computador segmentar imagens e isolar objetos sem preconceitos humanos.

p Usando esta tecnologia em conjunto com observações detalhadas de campo, eles examinaram uma criatura de casca fina que viveu em grande parte do mundo cerca de 545 milhões de anos atrás, Cloudina, geralmente aceito ser o primeiro "biomineralizador, "um organismo que pode criar uma concha ou ossos, além de tecidos moles.

p Embora os pesquisadores anteriores tenham argumentado que Cloudina eram construtores de recifes, Maloof e Mehra foram capazes de usar sua reconstrução em 3-D das delicadas estruturas em forma de tubo das criaturas para concluir que os fósseis foram transportados de outras áreas, sugerindo que Cloudina desempenhou apenas um papel menor nos primeiros sistemas de recife. Seu trabalho aparece na edição atual do Proceedings of the National Academy of Sciences .

p "Achei que iríamos aprender todos os tipos sobre este incrível primeiro biomineralizador e primeiro construtor de recife, mas Cloudina acabou se tornando mais como uma moradora de recife, "disse Maloof, professor associado de geociências. Ele agora voltou seu foco para o próximo potencial construtor de recife mais antigo, uma esponja chamada Archaeocyathid que viveu há cerca de 520 milhões de anos.

p Cloudina provou ser resistente a estudos detalhados porque seu delicado invólucro é muito frágil para extrair fisicamente do calcário circundante, e não poderia ser obtido imagens remotamente com técnicas tradicionais de tomografia de raios-X, que requerem diferenças de densidade entre o objeto de interesse e o material circundante. Como Cloudina é quimicamente idêntica ao calcário, os fósseis eram efetivamente invisíveis aos raios-X.

p Conheça GIRI

p Quase cinco anos atrás, Brad Samuels, colaborador do Maloof e do Situ Studio, reuniu a tecnologia para criar o que ele agora chama de "flipbooks, "renderizações digitais que se movem por mais de mil fatias finas de uma rocha. Conhecidas como" GIRI "ou" o moedor, "O Princeton Grinding Imaging and Reconstruction Instrument é uma resposta ao desejo de longa data dos geólogos de saber como as rochas se parecem por dentro.

p "Para sempre - desde Darwin - as pessoas tentaram descobrir como os fósseis se parecem em 3-D, quando eles estão embutidos na rocha e é difícil tirá-los, "Disse Maloof." As pessoas faziam seções em série exatamente assim, naquela época, mas talvez não nessa escala, em que removiam um pouco de pedra, desenhe isso, moer um pouco mais, desenhe isso. ... Pode consumir muito tempo. "

p Entre no GIRI, que pode cortar fatias tão finas quanto alguns mícrons (menos de 1 por cento de um milímetro) e pode funcionar 24 horas por dia durante semanas a fio. Como cada fatia leva cerca de 90 segundos para cortar e formar a imagem, os pesquisadores precisam escolher entre velocidade e escala. A maioria dos espécimes que Maloof e Mehra fizeram imagens são cortados em fatias de 30 mícrons, cerca de um terço da espessura de um cabelo humano. Uma polegada de espessura típica, 1, Uma amostra de 500 fatias leva cerca de um dia e meio para ser moída e trabalhada; durante este tempo, o operador precisa substituir os fluidos da máquina e limpar os limpadores (que limpam a superfície após cada corte) apenas uma vez.

p "O processo é destrutivo, "Maloof disse." Ossos de dinossauro, amostras lunares - há certos espécimes que as pessoas têm menos probabilidade de nos dar. Realmente não nos impediu, porque a maioria das amostras não são preciosas. Cloudina, há zilhões deles - nunca poderíamos triturá-los todos. "

p O GIRI pode produzir uma renderização 3-D de qualquer objeto sólido, se tem ou não as diferenças de densidade necessárias para uma microtomografia computadorizada de raios-X eficaz (geralmente conhecida como TC de raios-X ou Micro TC). Além disso, porque você está tirando uma foto de altíssima resolução com cada fatia, você está sempre vendo a própria rocha, não apenas o modelo de densidade que o sensoriamento remoto pode fornecer.

p "É destrutivo, claro, essa é a desvantagem, mas o que é tão bom é que você consegue ver as fotos e fazer observações diretas, “Maloof.” Isso é o que mudou tanto minha vida:eu amo que não seja um modelo. Você pode apenas ver isso. Em qualquer fatia, se você encontrar algo ótimo, você pode apenas encontrar a fatia e dizer, 'O que isso se parece?' ... Estamos em um tour virtual por dentro, em vez de olhar para as formas de onda e tentar interpretá-las. "

p E enquanto o GIRI pulveriza a amostra, preserva todos os detalhes em suas imagens de alta resolução, Maloof disse, o que sem dúvida o torna menos destrutivo do que outras abordagens. Também preserva as informações estruturais que revelam como as rochas se formaram. "Quando as pessoas tentam obter informações 3-D de rochas como esta, que são opacas aos raios-X, eles sempre tentaram dissolver o material. Mas então você perde todas as informações in-situ. Você não sabe como eles cresceram. Eles não têm relacionamento um com o outro. E você não sabe como eles estão relacionados a peças talvez menores ou menos resistentes. Você pode preferencialmente dissolver a ornamentação ou outros detalhes importantes. Portanto, esta é uma maneira de mantê-los em seu habitat enquanto ainda tentamos descobrir como eram. "

p Nos anos desde que Maloof montou o GIRI, ele e sua equipe de pesquisa fizeram melhorias físicas. Isso inclui redesenhar e substituir a caixa da câmera, bem como o mecanismo para limpar e preparar a superfície da rocha para fotografar após cada trituração. Eles também instalaram monitores de temperatura e umidade para registrar as condições durante cada fotografia. Os pesquisadores também reduziram o tempo de moagem por fatia de sete minutos para 90 segundos. As maiores mudanças, no entanto, têm aprimorado o software para executar a máquina e analisar a saída.

p Usando uma coleção de scripts MATLAB interativos e funções Applescript, o computador de controle agora pode enviar e receber sinais do moedor, acionar o obturador, e verificar a captura de imagem, enquanto o GIRI está em operação, Disse Mehra.

p "Do zero, Akshay projetou soluções de aprendizado de máquina para tornar o processo de segmentação de imagens - diferenciando fósseis de matriz, cimento, etc, em cada fatia - automatizada e confiável, "disse Maloof." Ele desenvolveu técnicas que serão importantes para qualquer aplicação tomográfica, incluindo TC de raios-X. Akshay também desenvolveu maneiras de fazer medições quantitativas nos volumes 3D reconstruídos. Você ficaria surpreso com a quantidade de modelagem 3-D que só leva à visualização e interpretação qualitativa, enquanto Akshay realmente mede o tamanho, forma e orientação 3-D dessas criaturas. "

p Usando o software que ele desenvolveu, "Podemos medir diretamente esses espécimes Cloudina, "disse Mehra." Podemos medir diretamente em que direções os tubos estão dobrando, quais são os seus diâmetros, quais são suas curvaturas - nenhuma delas é realmente reta - e com base nessa informação, podemos determinar se eles estão in situ ou não in situ. "

p Mehra também projetou redes neurais para identificar os tipos de rocha apenas por suas propriedades visuais:cor e textura. Depois que o usuário define quais "classes" estão presentes em um punhado de imagens da pilha - fóssil versus matriz, por exemplo, ou os minerais-chave em uma rocha metamórfica - a rede pode então prever se um pixel pertence a uma determinada classe com mais de 90 por cento de precisão.

p E com tudo isso, ele disse, alunos de graduação e pós-graduação geralmente podem ser treinados para executar o GIRI em cerca de um dia.

p Cientistas de todo o mundo entraram em contato com Maloof e Mehra para pedir informações virtuais, passeios visuais dentro de seus próprios espécimes. Os paleontólogos esperam examinar as estruturas delicadas dos primórdios da vida na Terra, a grande variedade de primeiras criaturas com conchas, o primeiro peixe, as primeiras criaturas terrestres, a estrutura interna de amonites e outros organismos com sistemas de flutuabilidade internos, e até ossos de dinossauros. Cientistas planetários começaram a examinar meteoritos com o GIRI para observar pequenos grãos chamados côndrulos que contêm dicas de como os planetas se formaram. Os engenheiros estão testando possíveis rochas reservatório para sequestro de carbono e moagem de baterias de grafite para examinar a estrutura 3-D de porosidade dentro do carbono.

p Realmente não há limite para as contribuições que o GIRI pode fazer, disse Maloof. "Isso representa cinco anos de trabalho. É o único instrumento assim no mundo."