Case Study Hero Image

Cranio di rinoceronte stampato in 3D

le tecnologie d’avanguardia consentono ai ricercatori di acquisire nuove conoscenze

I processi di imaging e la stampa 3D industriali permettono di “far rivivere”, per scopi scientifici e di ricerca, specie estinte e ci consentono di acquisire nuove informazioni sulle loro condizioni di vita

Quando paleontologi e scienziati guardano film come Jurassic Park, gran parte di essi non presta molta attenzione alla trama coinvolgente ma si interroga su come sia possibile che i produttori cinematografici di Hollywood conoscano così bene il comportamento e i movimenti di specie animali estinte da ormai molto tempo. Persino dopo decenni di ricerca, la maggior parte degli esperti in questo campo può formulare solo delle vaghe ipotesi sulla vita di un anchilosauro e anche i risultati di tale ricerca sono estremamente dibattuti negli ambienti degli addetti ai lavori.

Il problema fondamentale è che i resti degli animali ci permettono di trarre poche conclusioni certe sulle loro reali condizioni di vita ed è difficile affermare fatti concreti in base ad un’analisi puramente superficiale. Questo è un problema che interessa non solo la paleontologia ma che abbraccia sempre più altre branche della ricerca biologica. I cambiamenti climatici, la scomparsa degli habitat, per non parlare poi del bracconaggio ad opera dell’uomo, hanno fatto sì che un numero sempre maggio re di specie della nostra vita selvatica attuale siano minacciate di estinzione o già scomparse dalla faccia della Terra. Sono rare le scoperte fortunate, come quella recente del dendrolago, il canguro arboricolo di Wondiwoi ritenuto estinto, e i centri di ricerca come il Centro di Storia naturale dell’Università di Amburgo (CeNak), impegnato in ricerca nella biodiversità ed evoluzione, devono essere creativi per ottenere risultati affidabili.

In questo caso, l’assistenza offerta dalla tecnologia a raggi X altamente avanzata, è di grande aiuto per gli scienziati.  Gli ultimi sviluppi permettono di adottare approcci inconcepibili anche solo dieci anni fa. In particolare, analisi dettagliate utilizzando la tomografia computerizzata ad alta risoluzione e i modelli stampati 3D basati su di essa offrono alla ricerca scientifica pura una gamma di opportunità assolutamente nuove.

Rinoceronte digitalizzato

Una di queste soluzioni creative di esplorazione delle specie minacciate di estinzione o già estinte è stata applicata ad uno dei reperti dell’inventario scientifico del CeNak. Nell’ambito dell’esposizione intitolata “Eredità che svaniscono: Il mondo come foresta”, l’obiettivo era quello di richiamare l’attenzione in particolare sul rinoceronte di Sumatra. Si stima esistano ancora soltanto 100 esemplari di questa specie e sin dagli anni ‘20 del secolo scorso il CeNak ne possiede un cranio.

 

IN BREVE...

La sfida

YXLON ha utilizzato la loro tecnologia per creare un'immagine completa ad alta risoluzione del cranio, creando una replica digitale accurata. Volevano stampare in 3D questa replica per mostrare quanto dettagliata fosse la loro scansione in una fiera che si avvicinava velocemente.  

La soluzione

La replica digitale facilmente accessibile può essere caricata nel sistema di quotazione di Protolabs. Questo ha quindi permesso agli ingegneri applicativi di Prototabs di consigliare le strutture di supporto di cui il progetto avrebbe avuto bisogno per la stampa.

Il risultato

Protolabs è stato in grado di stampare il cranio in Accura Xtreme White 200 per soddisfare al meglio le esigenze del cliente. YXLON è stata in grado di rispettare la loro scadenza per la fiera e di mostrare le capacità della loro tecnologia di scansione all'avanguardia.

 YXLON
Mascella superiore Sumatran nel sistema YXLON FF85 CT

In passato, tuttavia, era difficile trarre conclusioni specifiche sulla struttura e l’anatomia dell’osso.

Il Prof. Thomas Kaiser, Responsabile del Dipartimento di Mammologia e Paleoantropologia del CeNak, ha colto l’occasione dell’esposizione come opportunità per cercare partner in grado di compiere uno studio più dettagliato del cranio. La scelta dell’esperto è caduta su YXLON International, un’azienda che si occupa specificatamente di radiografia e tomografia computerizzata in ambito industriale. L’obiettivo del ricercatore era quello di creare una scansione 3D del cranio, concepita da un lato per richiamare l’attenzione sulla quasi estinzione di questa specie animale in grande pericolo, oggetto dell’esposizione, e dall’altro per essere usata per scopi scientifici di ricerca su questo mammifero.

In Yxlon, solitamente più abituata a lavorare con pezzi fusi, motori e componenti elettronici, questo compito estremamente impegnativo si colloca nel contesto della domanda, in rapido aumento, di applicazioni a livello di scienze naturali. Nelle scansioni precedenti, Yxlon aveva studiato soltanto piccoli animali come rane, serpenti, fossili o singoli organi di animali; il cranio del rinoceronte di Sumatra, molto più grande, ha rappresentato pertanto un’incredibile sfida. “In ultima analisi, per campioni grandi come questo, dobbiamo avvalerci di un sistema dalle dimensioni appropriate e di tecniche di registrazione speciali per ottenere la massima risoluzione possibile”, spiegano il Dott. André Beerlink e Philip Sperling, Direttore Vendite - Scienze e Nuovi Materiali di Yxlon. Alla fine, abbiamo deciso di utilizzare il sistema YXLON FF85 CT con la tecnica a doppia elica, nella quale il cranio è stato fatto ruotare varie volte durante il processo di scansione per acquisirne un’immagine completa e ottenere una buona risoluzione. È stato così possibile raggiungere l’obiettivo del team di scienziati che lavorano con il Prof. Kaiser e ottenere il volume 3D digitale più realistico e ad alta risoluzione per simulare il comportamento biomeccanico.

Dr. Thomas Kaiser eDr. Étienne Turpin
Dr. Thomas Kaiser e Dr. Étienne Turpin con in mano il cranio di Sumatra

Accurato al micrometro

Dopo la tomografia e alcuni interventi di post-editing dei dati grezzi e dei file della scansione, è stato possibile ammirare il lavoro finito. Gli esperti di Yxlon sono riusciti a creare una replica digitale accurata del cranio del rinoceronte. Tutte le persone coinvolte nella scansione sono rimaste sorprese dall’incredibile livello di dettaglio che mostrava. Grazie alla scansione mediante tomografia computerizzata e alla speciale tecnica a doppia elica, è stato possibile individuare e replicare le strutture più fini, di grandezza pari a soltanto 100 micrometri circa, anche quelle interne al cranio.  Il volume 3D digitale ha permesso ai ricercatori di acquisire moltissime nuove informazioni che durante la ricerca precedente non erano state rivelate. Nuove conoscenze sulla struttura ossea e sulle posizioni biomeccaniche delle due parti di mandibola in relazione tra loro ha permesso immediatamente agli scienziati di acquisire conoscenze sull'età, la dieta e lo stile di vita dell’animale, informazioni finora sconosciute.

Oltre all’esposizione del CeNak, nella quale la scansione colorata del cranio è stata mostrata come rappresentazione di un oggetto, intesa non solo a suscitare riflessioni ma anche a richiamare l’attenzione su questa specie minacciata di estinzione, il volume 3D digitale è stato usato anche per la simulazione biomeccanica dei movimenti della mandibola. Grazie alle simulazioni con elementi finiti, è stato possibile utilizzare il cranio scansionato per studiare la distribuzione delle forze nella mandibola e nel cranio stesso. Le conclusioni tratte da questo studio sulla morfologia della struttura ossea hanno permesso agli scienziati di formulare ulteriori ipotesi approfondite sulle condizioni di vita dell’animale. Per quanto riguarda il rinoceronte di Sumatra, questi dati potrebbero, nel migliore dei casi, identificare gli habitat più idonei per il ricollocamento della specie minacciata e impedirne addirittura la totale estinzione.

Per gli scienziati che collaborano con il Prof. Kaiser e i curatori dell’esposizione del CeNak, la scansione del cranio rappresenta pertanto la base di ulteriore lavoro di ricerca e di altre esposizioni. Ma anche per la stessa Yxlon, l’immagine ottenuta dalla scansione non significa affatto la fine della questione.

 

Scansione del cranio di rinoceronte di Sumatra
Scansione del cranio di rinoceronte di Sumatra

Il trofeo di caccia senza la preda: la stampa 3D permette di ottenere una replica straordinariamente reale

A causa del costo elevato e della qualità e rarità eccezionali della scansione, Yxlon si è resa rapidamente conto che questo progetto avrebbe potuto fungere da importante vetrina per dimostrare le capacità dei suoi sistemi TAC d’avanguardia e la competenza dell’azienda. Doveva servirsi della scansione del cranio del rinoceronte di Sumatra come se si trattasse del gioiello più prezioso della sua “corona”. I colleghi di Yxlon, tuttavia, avevano tempi molto ridotti per presentarla adeguatamente in occasione della prossima fiera commerciale cui intendevano partecipare.

Mentre conducevano una ricerca su Internet durante un viaggio di lavoro a New York, vennero a conoscenza di Protolabs, produttore di prototipi su misura e di produzione in volumi ridotti che si avvaleva dei processi di produzione additiva così come dello stampaggio a iniezione e della lavorazione CNC. Poiché potevano accedere alla scansione salvata del cranio mentre viaggiavano, il servizio di caricamento dati e di ordinazione on-line facilmente accessibile offerto da Protolabs risultò essere molto pratico. L’azienda promette di fornire file e design ancora più complessi in una ampia gamma di materiali e in breve tempo, rendendoli al contempo il più intuitivi e facili da comprendere per l’utilizzatore. Gli esperti di Protolabs hanno contattato Yxlon il giorno successivo per parlare della modalità di procedere, poiché questo tipo di stampa 3D era inconsueto anche per loro.

Nonostante il poco tempo a disposizione prima dell’apertura della fiera commerciale e il breve tempo di consegna della stampa 3D vera e propria, oltre che per apportare le modifiche d’obbligo alla scansione per assicurare la fattibilità del processo additivo, gli esperti di Protolabs sono riusciti a produrre una replica incredibilmente reale del cranio del rinoceronte di Sumatra. È stato possibile identificare anche i dettagli più piccoli del modello originale, solo il materiale di realizzazione era diverso. Anziché di ossa, il modello stampato 3D è stato ottenuto con il materiale Accura Xtreme White 200, che lo rendeva un po’ più chiaro a livello di colore e senza macchie. Philip Sperling e il Dott. André Beerlink sono stati estremamente soddisfatti della qualità: “Per i nostri clienti, i nostri partner ma anche per noi, è stato molto stimolante scoprire che avevamo l’opportunità di rendere le scansioni TAC reali e tangibili e che Protolabs è stata in grado di stampare con la stessa qualità i dettagli molto fini di questo cranio di rinoceronte di Sumatra. Il tempo di lavorazione incredibilmente rapido e i consigli competenti per questo incarico complesso non hanno fatto altro che completare la nostra esperienza positiva con Protolabs.”

Per i nostri clienti, partner e anche per noi, è stato estremamente emozionante scoprire che abbiamo avuto l'opportunità di realizzare scansioni CT reali e tangibili e che Protolabs è stata in grado di stampare i minuziosi dettagli di questo cranio di rinoceronte di Sumatra con la stessa qualità. I tempi di lavorazione incredibilmente rapidi e la consulenza competente su questa complessa impresa hanno semplicemente completato la nostra positiva esperienza con Protolabs.

In futuro, tuttavia, questi modelli stampati 3D potranno essere usati non solo come vetrina da esibire alle fiere commerciali. L’esempio del rinoceronte di Sumatra ha mostrato che la scansione TAC e la produzione additiva possono essere usate per creare repliche straordinariamente reali di fossili rari, molto preziose per la ricerca e l’insegnamento. Le moderne tecnologie possono essere usate per formulare ipotesi su come gli animali vivevano e si comportavano e, al contempo, possono creare oggetti di ricerca esemplari per condurre test e svolgere ulteriore ricerca nelle creature che da molto tempo non abitano più il nostro pianeta. Questo è anche il parere di Daniel Cohn, Amministratore delegato di Protolabs Germania: “Anche se la riproduzione di fossili pone una sfida speciale, tutti gli sforzi compiuti sono valsi la pena con questa replica così fedele. Siamo orgogliosi di offrire un ottimo servizio alla scienza con le nostre repliche e di contribuire al tempo stesso alla protezione della specie.”