Digitalisierung naturkundlicher Präparate für den Online-Zugang mit Artec Space Spider

Die Natur war schon immer eine unerschöpfliche Inspirationsquelle für den Menschen. Kletterhilfen, die die Biomechanik von Geckofüßen nachahmen, antibakterielle Mikromuster, die Form und Funktion von Haifischhaut nachahmen, oder die Aerodynamik des berühmten japanischen Hochgeschwindigkeitszugs, der von der Form eines Vogelschnabels inspiriert wurde - dies sind nur einige Beispiele dafür, wie Modelle, Systeme und Elemente der Natur genutzt werden, um komplexe menschliche Probleme und Gestaltungsherausforderungen zu lösen.

Oder, wie Janine Benyus, Biologin, Autorin und Mitbegründerin des Biomimicry Institute, in ihrem TED-Vortrag sagte: „Wir sind von Genialität umgeben. Wir waren nie die ersten, die [etwas] gebaut haben.“

Die globale Verstädterung, die Massenmigration in die Städte und neue Reisebestimmungen lassen uns Menschen nur eine begrenzte Auswahl an Möglichkeiten, mit all den Facetten, Rezepten und Entwürfen in Berührung zu kommen, die diese großartige Erfindungsmaschine zu bieten hat. Es gibt jedoch Orte auf der Welt, an denen man Zugang zu Tausenden von authentischen Exemplaren der Naturgeschichte hat, ohne sich in die Wildnis begeben, auf eine abgelegene Insel fliegen oder durch undurchdringliche Dschungel, unerträgliche Hitze oder Kälte waten zu müssen. Ein solcher Ort: dasEdna W. Lawrence Nature Lab.

Edna W. Lawrence Nature Lab (Foto mit freundlicher Genehmigung des Nature Lab)

Überblick

Edna Lawrence, Absolventin der Rhode Island School of Design, langjähriges Fakultätsmitglied, Wissenschaftlerin, Dozentin und erfolgreiche amerikanische Malerin, gründete das Nature Lab 1937 mit dem Ziel, „den Studenten die Augen für die Wunder der Schönheit in der Natur zu öffnen – für Formen, Raum, Farbe, Textur, Gestalt und Struktur“, wie sie selbst sagte.

The Nature Lab is not your typical laboratory. What started as a small collection of natural specimens that Edna picked up during her summer road trips for her Nature Drawing class in the 1920s, turned into 1,286 species (including shells, butterflies, minerals, skeletons, seed pods, and taxidermy) in 1937, and had grown to up to more than 25,000 items by the time she retired 38 years later.

Das Nature Lab ist kein typisches Labor. Was in den 1920er Jahren mit einer kleinen Sammlung von Naturexemplaren, die Edna auf ihren sommerlichen Autoreisen für ihren Naturzeichenkurs sammelte, begann, wuchs bis 1937 auf 1.286 Arten an (darunter Muscheln, Schmetterlinge, Mineralien, Skelette, Samenkapseln und Präparate) und sollte zu ihrer Pensionierung 38 Jahre später über 25.000 Objekte umfassen.

„Es gibt definitiv keine andere Abteilung an der Universität oder einen eigenständigen Ort, der mit dem Nature Lab und seiner naturhistorischen Sammlung vergleichbar ist“, sagt Benedict Gagliardi, Biologe am Labor. „Sie können Schränke öffnen und Muscheln, Knochen, Stücke von Treibholz und präparierte Tiere herausnehmen und mit ihnen interagieren: sie zeichnen, fühlen, bewegen und beschreiben.

„Es bietet sich eine sehr einladende Umgebung. Wir gehen so weit in die Tiefe, wie Sie wollen, aber wir drängen Sie nicht“, sagt Dr. Jennifer Bissonnette, Interimsdirektorin des Naturlabors. „Und wenn Sie Fragen haben, stehen Ihnen drei Biologen zur Verfügung, die Ihnen helfen können, noch tiefer zu graben und alles zu entdecken, was Sie herausfinden möchten.“

Neben der Hauptsammlung beherbergt das Nature Lab auch Sammlungen von Insekten, Flechten, Korallen und anderen kleinformatigen Exemplaren, Sammlungen von organischen und nicht-organischen Materialien, lebenden Pflanzen, seltenen naturkundlichen Büchern und bietet Zugang zu den neuesten bildgebenden Geräten, um die Vielfalt der natürlichen Artefakte in verschiedenen Maßstäben und Dimensionen zu untersuchen. Eines dieser Bildgebungsgeräte, das das Team des Nature Lab 2015 in seine Sammlung aufgenommen hat, istArtec Spider.

Hinzufügen eines 3D-Scanners zum Werkzeugkasten

„Ein Teil dessen, was wir hier tun, ist die Schaffung eines Raums, in dem die Visualisierung neue Richtungen einschlagen kann“, sagt Dr. Jennifer Bissonnette, Interimsdirektorin des Labors. „Wir dachten an neue Wege, um die Organismen, Oberflächen und Texturen, die wir hier haben, zu nutzen, und Artec Spider passte perfekt, weil er auf dem neuesten Stand der Technik ist und eine hochauflösende Erfassung verschiedener Strukturen ermöglicht.“

Spider wurde entwickelt, um kleine Objekte mit feinen Details in hoher Präzision zu scannen, und bietet eine ideale Lösung für die digitale Konservierung natürlicher und historischer Artefakte in ihrer tatsächlichen Form und Farbe. Leistungsstark, präzise und dennoch leicht und nutzerfreundlich, wurde Spider zu einer willkommenen Ergänzung in der Sammlung von Bildgebungsgeräten des Labors – neben professionellen Mikroskopen, Action-Kameras, GPS-Trackern und anderen Werkzeugen für die Forschung und Dokumentation von natürlichen Materialien, Proben, Systemen und Prozessen.

Das Nature Lab verwendet Artec Spider zur Digitalisierung seiner über 80.000 Exemplare umfassenden naturkundlichen Sammlungen (Foto mit freundlicher Genehmigung des Nature Lab)

Seitdem der 3D-Scanner den Mitarbeitern und Studenten des Labors zur Verfügung gestellt worden war, wurde er schnell zu einem der beliebtesten Werkzeuge. „Es hat etwas Ermutigendes, wenn man Zugang zu einem so hochwertigen Gerät hat und es benutzen kann und darf“, sagt Gagliardi. „Dadurch wird dieser Teil der Arbeit persönlicher und stärker mit dem Projekt verbunden, als wenn man nur sagen würde: Oh, kannst du das für mich scannen?“

Einstieg in die Digitalisierung

Die 3D-Scans von Präparaten, naturkundlichen Objekten und Materialien, die die Studenten mit Spider erfassten, wurden von Gagliardi und seinem Team zunächst auf externen Festplatten gespeichert und waren nur ihren Schöpfern auf direkte Anfrage zugänglich. Doch als die Pandemie ausbrach, änderte sich der gesamte Ablauf. Da Studenten und Fakultätsmitglieder nicht in das Labor kommen und vor Ort mit den Sammlungen interagieren konnten, musste es eine Möglichkeit geben, auf diese Proben – zumindest auf einige davon – digital zugreifen zu können. So kam Benedict auf die Idee, alle 3D-Scans, über die das Labor bereits verfügte, auf Sketchfab, eine Online-Plattform zur gemeinsamen Nutzung von 3D-Modellen, hochzuladen und einevirtuelle 3D-Probenbibliothekzu erstellen:

„Als die Pandemie ausbrach, war es wirklich schwierig, diese Art des taktilen Lernens durch irgendeine Art von digitaler Darstellung zu ersetzen“, sagt Gagliardi. „Aber dann... diese digitale Sammlung war ein enormer Gewinn für die Dozenten, die mit der Digitalisierung ihres Lehrplans zu kämpfen hatten. Das 3D-Scannen mit Artec Spider war enorm wichtig, um ein dreidimensionales Verständnis der Dinge zu vermitteln.“

Das Laborteam beschloss, alle Modelle in der Bibliothek frei herunterladbar zu machen, so dass sowohl Studenten als auch Fakultätsmitarbeiter die Dateien verwenden, sie verändern und sich nach Belieben aneignen können.

3D-Modell Perlboot-Muschel, erstellt mit Artec Spider

Die exakten 3D-Nachbildungen verschiedener Exemplare und Materialien ermöglichten es dem Team zude, eine neue Perspektive in ihre Biomimikry-Kurse einzubringen:

„Eines der Themen, mit denen wir uns im Labor beschäftigen, nennt sich Biomimikry, also die Nutzung der Natur als Inspiration für Gestaltungslösungen“, so Bissonnette. „Wir haben eine digitale Sammlung verschiedener natürlicher Formen und Materialien, die wir analysieren und in andere Software übernehmen können, um daraus Strukturen zu entwickeln, die wir für die jeweilige Gestaltungsabsicht modifizieren können.“

Der neue Ansatz ermöglichte auch das Ausleihen von Gegenständen, die zuvor nur für den Gebrauch im Labor zur Verfügung standen:

„Normalerweise können wir viele Exemplare wie Bibliotheksbücher ausleihen: einen handgefertigten Glaskasten mit einem ausgebreiteten Schmetterling darin, bestimmte Arten von Muscheln und alle Arten von kleinen Exemplaren“, sagt Gagliardi. „Wir haben rote Punkte auf den Dingen, die man nicht herausnehmen kann. Das 3D-Scannen gab uns die Möglichkeit, sie auszuleihen, so dass die Leute auch nach Feierabend oder aus der Ferne mit ihnen interagieren konnten. Das hat die Art und Weise, wie der Ausleihprozess funktionierte, wirklich verändert.“

Ein weiterer Vorteil eines digitalen Katalogs von 3D-Modellen im Internet war die Möglichkeit, mit einer weltweiten Gemeinschaft von Künstlern und Forschern in Kontakt zu treten:

„Wir haben so viele spannende Kommentare von Leuten erhalten, die unsere 3D-Scans in ihre eigenen Kunstwerke, Videospiel-Designs und andere Disziplinen integriert haben“, sagt Gagliardi. „Es gibt auch Biologen, die uns geholfen haben, einige unserer Exemplare zu identifizieren. Was wir zum Beispiel auf Sketchfab immer als Chinchilla-Schädel bezeichnet hatten, entpuppte sich als Bisamratten-Schädel.“

Der typische Arbeitsablauf

Während der Pandemie musste sich auch der Scanprozess ändern. Da fast alle Mitarbeiter von unterwegs arbeiteten oder studierten, war es Gagliardi, der auf Anfrage von Dozenten oder Studenten damit begann, verschiedene Exemplare zu scannen, um ihre neu angelegten Bestände aufzufüllen.

„Die Übertragung in einen virtuellen Raum wurde plötzlich nicht nur für Studenten und Dozenten interessant, sondern war auch wichtig, um weiterhin Zugang zur Sammlung zu haben“, so Bissonnette.

Obwohl jede Art von Exemplar einzigartig ist, werden die meisten im Labor gescannten Objekte nach dem gleichen Verfahren gescannt.

Zunächst wird ein Objekt einmal von oben und von den Seiten gescannt, bevor es für einen weiteren Scan von unten und von den Seiten umgedreht wird. Das Team verwendet außerdem einen faltbaren Lichtkasten von ORANGEMONKIE, um eine hochwertige, gleichmäßig beleuchtete Textur zu erzielen, sowie einen elektrischen Drehtisch für ein gleichmäßiges und ruhiges Scannen.

„Als ich sie zum ersten Mal benutzte, war ich begeistert, vor allem, als ich sah, was die Artec Studio Software alles kann", sagt Gagliardi. "Man erhält einen Rohscan und denkt 'toll, das sieht aus wie das, was ich scanne'. Aber das Endprodukt, das fertige Polygonnetz, ist im Vergleich zum ersten Scan derart raffiniert, dass ich immer noch jedes Mal staune, wenn ich es zu sehen bekomme.“

Nach Abschluss des Scanvorgangs verarbeitet das Team die Daten im Autopilot-Modus vonArtec Studio. Danach wird das endgültige Modell direkt in Sketchfab exportiert, oder in einigen Fällen für weitere Nachbearbeitungen zunächst in Blender. „Die Scans, die Artec Studio ausgibt, sind von ziemlich hoher Qualität, so dass wir oft nur den Scan exportieren und sofort loslegen könnn“, fügt Gagliardi hinzu.

Derzeit besteht die digitale Sammlung aus 500-600 Scans, von denen fast 400 bereits hochgeladen wurden und auf Sketchfab zum Download bereitstehen.

Zukunftspläne

Durch die Einführung ihrer virtuellen Bibliothek mit 3D-gescannten Exemplaren konnte das Team von Nature Lab Zugang zu einigen der schönsten natürlichen Artefakte aus der legendären Sammlung von Edna Lawrence erhalten – und zwar nicht nur für die Studenten und Fakultätsmitglieder der Rhode Island School of Design, sondern auch für öffentliche Schulen und Institutionen, die sonst möglicherweise keinen Zugang zu solchen Ressourcen haben. Darüber hinaus konnten sie Kontakte zu anderen Universitäten und Museen, die ebenfallsArtec-Scanner, Photogrammetrie oder andere Digitalisierungsmethoden verwenden, knüpfen und mit ihnen zusammenarbeiten.

„Ich erhalte immer wieder Kommentare, Dankesbekundungen und Anfragen von Fachleuten und Laien aus der Welt der Kunst und der Wissenschaft“, so Gagliardi. „Kürzlich kontaktierte mich ein Projektleiter eines der weltweit größten Anbieter von technischen Dienstleistungen für Museen, um sich zu erkundigen, ob sie unser bemaltes Schildkrötenmodell für ein Gussprojekt verwenden dürfen. Ich bin erstaunt über die große Reichweite und die Vielfalt der Verbindungen, die diese Plattform und einzigartige Ressource ermöglicht hat.“

Die virtuelle Sammlung ist für Studierende, Lehrkräfte und andere Nutzer nach wie vor von großem Wert, wenn es daran geht, Studierenden beizubringen, wie sie ihre eigenen3D-Modellemit Artec Spider erstellen können. Es gibt immer noch Fernkurse an der RISD, die die digitale Sammlung als Lernwerkzeug nutzen. Die Sammlung ist zudem eine wertvolle Ressource, da die Schule derzeit ihre Weiterbildungsprogramme über digitale Plattformen auf ein breiteres Publikum ausweitet.

„Wir planen auf jeden Fall, unsere digitalen Fernressourcen weiter auszubauen“, so Gagliardi. „Die Pandemie hat uns so viel darüber gelehrt, wie wertvoll sie sind. Ohne Artec Spider hätten wir, was unseren Erfolg im Arbeit aus der Ferne angeht, ein ganz anderes Jahr erlebt.“