Trasformare in 3D reperti di storia naturale con Artec Space Spider per la visualizzazione online

La natura è una fonte inesauribile di ispirazione per tutti noi. Pensiamo ai cuscinetti da arrampicata che imitano la biomeccanica dei piedi del geco, ai micropattern antibatterici che imitano le forme e la funzione della pelle di squalo, o l'aerodinamica dei famosi treni ad alta velocità giapponesi ispirati alla forma del becco degli uccelli. Questi sono solo alcuni esempi di come modelli, sistemi ed elementi ritrovabili nel regno animale vengono utilizzati per risolvere problemi e sfide di progettazione degli esseri umani.

Secondo il noto parere della biologa Janine Benyus, autrice e co-fondatrice del Biomimicry Institute, in un suo discorso TED: "Siamo circondati dal genio. Non siamo mai i primi a costruire qualcosa."

L'urbanizzazione globale, la migrazione di massa verso le città e le nuove normative sui viaggi ci lasciano una selezione limitata di opportunità per entrare in contatto con la natura, con tutte le sue sfaccettature, ricette e progetti che questa grande macchina sforna-invenzioni ha da offrire. Tuttavia, ci sono luoghi al mondo in cui è possibile accedere a migliaia di autentici reperti di storia naturale senza dover recarsi in foreste vergini, isole remote o giungle impenetrabili, affrontando le intemperie. Uno di questi luoghi:l'Edna W. Lawrence Nature Lab.

Edna W. Lawrence Nature Lab (foto per gentile concessione del Nature Lab)

Introduzione

Il Nature Lab è stato fondato nel 1937 da Edna Lawrence, una diplomata alla Rhode Island School of Design, membro di lunga data della facoltà, studiosa, insegnante e abile pittrice americana che si proponeva, secondo le sue stesse parole, di "aprire gli occhi degli studenti alle meraviglie della bellezza della natura...le forme, lo spazio, il colore, la consistenza e la struttura."

Il Nature Lab non è un semplice laboratorio. Iniziato come una piccola collezione di esemplari animali, raccolti da Edna durante i suoi viaggi estivi per le sue lezioni di disegno naturale negli anni '20, è finito per raccogliere nel 1937 ben 1.286 specie (tra cui conchiglie, farfalle, minerali, scheletri, baccelli di semi e esemplari tassidermizzati), ed è cresciuto fino a oltre 25.000 elementi al momento del ritiro di Edna, 38 anni dopo.

Oggi, la Natural History Collection è composta da quasi 80.000 esemplari, a cui studenti e docenti del RISD hanno accesso illimitato per qualsiasi progetto di scienza, arte o design a cui stanno lavorando.

"Non c'è sicuramente nessun altro dipartimento universitario o ente indipendente che disponga di un luogo come il Nature Lab e alla sua collezione di storia naturale", ha affermato Benedict Gagliardi, biologo del personale del laboratorio. "Al suo interno, gli studenti possono vivere un'esperienza completamente immersiva: possono aprire armadietti ed estrarre conchiglie, ossa e pezzi di legno e animali da tassidermia e interagire con loro disegnandoli, toccandoli, e analizzandoli."

"È un ambiente molto accogliente. Il concetto è: potete approfondire quanto volete, senza pressioni,” ha detto la dott.ssa Jennifer Bissonnette, direttore ad interim del Nature Lab. "E se avete domande, i tre biologi dello staff possono aiutarvi a indagare più a fondo e ad aiutarvi nelle vostre scoperte."

Oltre alla collezione principale, il Nature Lab ospita anche collezioni di insetti, licheni, coralli e altri esemplari su piccola scala, collezioni di materiali organici e non organici, piante vive, rari libri di storia naturale, oltre a fornire l'accesso alle più recenti apparecchiature di imaging per esplorare tutta la sua varietà di manufatti naturali in diverse scale e dimensioni. Uno degli strumenti di imaging adottati dal team del Nature Lab nel 2015 èArtec Spider.

Adottare uno scanner 3D

"Parte del nostro lavoro è creare uno spazio per la visualizzazione per intraprendere nuove direzioni di ricerca", ha riferito la dott.ssa Jennifer Bissonnette, direttore ad interim del laboratorio. "Stavamo pensando a nuovi modi per esaminare gli organismi, le superfici e le texture di cui disponiamo nel Lab, e Artec Spider è l'alleato perfetto per questo compito, grazie alla sua capacità all'avanguardia di catturare in altissima risoluzione qualsiasi tipo di struttura."

Progettato per la scansione di piccoli oggetti con dettagli fini ad alta precisione, Spider è la soluzione ideale per la conservazione digitale di manufatti naturali e storici nella loro vera forma e colore. Potente, preciso, ma allo stesso tempo leggero e facile da usare, Spider è diventato un'aggiunta gradita alla collezione di apparecchiature di imaging del laboratorio, insieme a microscopi professionali, action camera, tracker GPS e altri strumenti per la ricerca e la documentazione di materiali naturali, campioni, sistemi e processi.

Il Nature Lab utilizza Artec Spider per digitalizzare la sua collezione di storia naturale (foto per gentile concessione del Nature Lab)

Dal momento in cui lo scanner 3D è diventato disponibile per i membri della facoltà del laboratorio e per gli studenti, è diventato rapidamente uno degli strumenti più popolari. "È incoraggiante per noi avere accesso a un'attrezzatura di così alto livello e poterla utilizzare", ha affermato Gagliardi. "Ci permette di fare esperienza dei nostri progetti più da vicino e in modo personale, piuttosto che chiedere a qualcuno di scansionare al posto nostro."

Passare al digitale

Le scansioni 3D dei campioni di tassidermia, degli oggetti di storia naturale e dei materiali catturati dagli studenti con Spider sono stati inizialmente salvati su dischi rigidi esterni da Gagliardi e dal suo team, ed erano disponibili ai loro creatori solo su richiesta diretta. Ma l'intero processo è cambiato allo scoppio della pandemia. Dal momento che gli studenti e i membri della facoltà non potevano venire al laboratorio e interagire con la collezione di persona, dovevano trovare un modo per accedere ai campioni, almeno in parte, tramite strumenti digitali. È stato allora che Benedict ha avuto l'idea di caricare tutte le scansioni 3D già disponibili su Sketchfab, una piattaforma di condivisione di modelli 3D online, e creare unaraccolta di campioni 3D virtuali:

"Con l'inizio della pandemia è stato davvero difficile sostituire la possibilità per gli studenti di toccare con mano la collezione, nonostante i molti mezzi di rappresentazione digitale", ha detto Gagliardi. "Ma la sapete una cosa? La nostra collezione digitale ha dato una mano enorme agli insegnanti che stavano lottando per digitalizzare le loro lezioni. La scansione 3D con Artec Spider era estremamente importante per offrire la stessa comprensione tridimensionale degli oggetti."

Il team del laboratorio ha deciso di rendere tutti i modelli della raccolta liberamente scaricabili, in modo che sia gli studenti che il personale docente potessero utilizzare i file, astrarli e farci tutto ciò che volevano per farli propri.

Modello 3D realizzato con Artec Spider di una conchiglia nautilus

Avere repliche 3D esatte di vari campioni e materiali ha anche permesso al team di portare una nuova prospettiva nelle loro lezioni di biomimetica:

"Uno degli argomenti su cui stiamo lavorando in laboratorio è la biomimetica, ovvero l'osservazione della natura per ispirare soluzioni di design", ha affermato Bissonnette. "Disporre di una collezione digitale di diverse forme e materiali naturali ci permette di analizzarli e importarli in altri software dove possiamo iniziare a ricostruire e modificare le loro strutture per qualsiasi progetto di design."

Il nuovo approccio ha inoltre permesso di prestare articoli che in precedenza erano disponibili "solo in laboratorio":

"Normalmente, prestiamo i nostri esemplari come i libri di una biblioteca: una scatola di vetro fatta a mano con una farfalla, conchiglie e animaletti imbalsamati", ha detto Gagliardi. "Abbiamo messo dei puntini rossi sulle cose che non si possono prendere in prestito. La scansione 3D ci ha dato la possibilità di darli tutti in prestito, dando la possibilità a tutti di interagire con loro dopo l'orario di lavoro o in remoto. Ha davvero cambiato il modo in cui funzionava la nostra biblioteca naturale."

Un altro vantaggio di avere un catalogo digitale di modelli 3D online è stata l'opportunità di connettersi a una comunità globale di creatori e ricercatori:

"Abbiamo ricevuto commenti entusiasti da dozzine di persone che hanno incorporato le nostre scansioni 3D nelle loro opere d'arte, design di videogiochi e altre discipline", ha affermato Gagliardi. "Ci sono anche dei biologi che ci hanno aiutato a identificare alcuni dei nostri esemplari. Ad esempio, quello che abbiamo sempre etichettato come un teschio di cincillà su Sketchfab, si è rivelato essere un teschio di topo muschiato."

Il flusso di lavoro tipico

Durante la pandemia anche il processo di scansione è dovuto cambiare. Con quasi tutti che lavoravano o studiavano a distanza, Gagliardi ha iniziato a scansionare diversi esemplari su richiesta di docenti o studenti.

"Portare la collezione in uno spazio virtuale è diventato improvvisamente non solo una possibilità interessante per studenti e docenti, ma anche l'unico modo per potervi accedere", ha detto Bissonnette.

Sebbene ogni tipo di campione sia un pezzo unico, la maggior parte degli oggetti sottoposti a scansione nel laboratorio segue lo stesso flusso di lavoro a due scansioni.

In un primo momento, ogni elemento viene scansionato una volta dall'alto e di lato, quindi capovolto per un'altra scansione dal basso e laterale. Il team utilizza anche una scatola luminosa pieghevole di ORANGEMONKIE per ottenere una texture di alta qualità e uniformemente illuminata e una tavola rotante elettrica per una scansione costante.

"Sono rimasto sbalordito fin dal primo utilizzo, soprattutto vedendo il processo eseguito dal software Artec Studio", ha detto Gagliardi. "Si ottiene una scansione grezza e, un po’ delusi, si pensa ‘vabbè, almeno assomiglia alla cosa che sto scansionando’. Ma il prodotto finale lascia senza fiato! La mesh finalizzata è di una qualità talmente superiore che sono ancora in soggezione ogni volta che arrivo alla fine del processo di elaborazione."

Al termine della scansione, il team elabora i dati utilizzando la modalità Pilota automatico inArtec Studio. Una volta completato, il modello finale viene a volte rielaborato un po' in Blender, più spesso esportato direttamente su Sketchfab. "Le scansioni prodotte da Artec Studio sono di qualità piuttosto elevata, quindi spesso basta esportare la scansione così com'è", ha aggiunto Gagliardi.

Attualmente, la collezione digitale è composta da 500-600 scansioni, quasi 400 di esse già caricate e disponibili per il download su Sketchfab.

Progetti per il futuro

Con il lancio della loro raccolta virtuale di campioni scansionati in 3D, il team del Nature Lab ha reso disponibili alcuni dei migliori manufatti naturali della leggendaria collezione di Edna Lawrence, e non solo agli studenti e ai membri della facoltà della Rhode Island School of Design, ma anche a scuole e istituzioni pubbliche che normalmente non avrebbero accesso a tali risorse. Ha anche permesso loro di connettersi e collaborare con altre università e musei che utilizzanogli scanner Artec, la fotogrammetria o altri metodi di digitalizzazione.

"Continuo a ricevere commenti positivi, messaggi di ringraziamento e richieste da parte di professionisti e non professionisti del mondo dell'arte e della scienza, al di fuori del RISD", ha detto Gagliardi. "Recentemente, un project manager di uno dei più grandi fornitori al mondo di servizi tecnici museali mi ha contattato per chiedere il permesso di utilizzare il nostro modello di tartaruga palustre dipinta per realizzare un calco. Sono stupito dall'ampiezza della portata e della varietà di connessioni che questa piattaforma e questa risorsa unica hanno contribuito a promuovere."

Ora, quando torneremo a formare i singoli studenti su come creare i proprimodelli 3Dcon Artec Spider, la collezione virtuale continuerà ad essere di enorme valore per studenti, insegnanti e altri utenti. Il RISD tiene ancora corsi a distanza che fanno un uso significativo della raccolta digitale come strumento didattico, ed è un bene prezioso soprattutto adesso che la scuola sta allargando i suoi programmi di formazione tramite piattaforme digitali per raggiungere un pubblico più ampio.

"Abbiamo sicuramente intenzione di continuare a costruire le nostre risorse digitali remote", ha affermato Gagliardi. "La pandemia ci ha insegnato molto su quanto siano preziose. Avremmo avuto un anno molto diverso per quanto riguarda il nostro successo 'da remoto' senza l’aiuto di Artec Spider."