¿Alguna vez has deseado poder viajar dentro de una roca? Puede que suene más a magia que a ciencia, pero los científicos de Princeton han encontrado una manera de hacerlo (casi) cierto.

Con un molinillo industrial y una cámara de súper alta resolución, Los geocientíficos de Princeton Adam Maloof y Akshay Mehra pueden deconstruir muestras de rocas y crear versiones digitales tridimensionales que los científicos pueden observar desde cualquier ángulo. Además, han desarrollado un software que permite a la computadora segmentar imágenes y aislar objetos sin prejuicios humanos.

Usando esta tecnología junto con observaciones de campo detalladas, examinaron una criatura de caparazón delgado que vivió en gran parte del mundo hace unos 545 millones de años, Cloudina, en general, se acordó ser el primer "biomineralizador, "un organismo que puede crear un caparazón o huesos además de tejido blando.

Si bien los investigadores anteriores habían argumentado que Cloudina eran constructores de arrecifes, Maloof y Mehra pudieron usar su reconstrucción tridimensional de las delicadas estructuras tubulares de las criaturas para concluir que los fósiles habían sido transportados desde otras áreas. lo que sugiere que Cloudina jugó solo un papel menor en los primeros sistemas de arrecifes. Su trabajo aparece en el número actual de la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"Pensé que al entrar aprenderíamos todo tipo de cosas sobre este asombroso primer biomineralizador y primer constructor de arrecifes, pero Cloudina resultó ser más como un habitante de un arrecife, "dijo Maloof, profesor asociado de geociencias. Ahora ha centrado su atención en el siguiente constructor de arrecifes potencial más antiguo, una esponja llamada Archaeocyathid que vivió hace unos 520 millones de años.

Cloudina había demostrado ser resistente al estudio detallado porque su delicada carcasa es demasiado frágil para extraerla físicamente de la piedra caliza circundante. y no se pudieron obtener imágenes de forma remota con las técnicas tradicionales de tomografía de rayos X, que requieren diferencias de densidad entre el objeto de interés y el material circundante. Debido a que Cloudina es químicamente idéntica a la piedra caliza, los fósiles eran efectivamente invisibles a los rayos X.

Conoce a GIRI

Hace casi cinco años, Brad Samuels, colaborador de Maloof y Situ Studio, reunió la tecnología para crear lo que ahora llama "flipbooks, "representaciones digitales que se mueven a través de más de mil rebanadas delgadas como una oblea a través de una roca. Conocido como" GIRI "o" el molinillo, "El Instrumento de Reconstrucción e Imágenes de Molienda de Princeton es una respuesta al deseo de muchos años de los geólogos de saber cómo se ven las rocas por dentro.

"Desde siempre, desde Darwin, la gente ha tratado de averiguar cómo se ven los fósiles en 3-D, cuando están incrustados en la roca y es difícil sacarlos, ", Dijo Maloof." La gente hacía secciones en serie como esta en ese entonces, pero tal vez no a esta escala, donde trituraban un poco de roca, dibujalo, moler un poco más, dibujalo. ... Puede llevar muchísimo tiempo ".

Entra GIRI, que puede cortar rodajas tan delgadas como unas pocas micras (menos del 1 por ciento de un milímetro) y puede funcionar las 24 horas del día durante semanas. Como cada rebanada tarda unos 90 segundos en cortarse y reproducirse, los investigadores tienen que elegir entre velocidad y escala. La mayoría de las muestras de las que Maloof y Mehra han fotografiado se cortan en rodajas de 30 micrones, aproximadamente un tercio del grosor de un cabello humano. Una típica pulgada de espesor, 1, La muestra de 500 rebanadas tarda aproximadamente un día y medio en triturar y obtener la imagen; durante este tiempo, el operador necesita reemplazar los líquidos de la máquina y limpiar los limpiadores (que limpian la superficie después de cada corte) solo una vez.

"El proceso es destructivo, "Maloof dijo." Huesos de dinosaurio, Muestras lunares:hay ciertos especímenes que es menos probable que la gente nos dé. Realmente no nos ha detenido porque la mayoría de las muestras no son valiosas. Cloudina, hay trillones de ellos, nunca podríamos triturarlos todos ".

GIRI puede producir una representación tridimensional de cualquier objeto sólido, si tiene o no las diferencias de densidad necesarias para una microtomografía computarizada de rayos X eficaz (generalmente conocida como CT de rayos X o Micro CT). Además, porque estás tomando una fotografía de muy alta resolución con cada corte, siempre estás viendo la roca misma, no solo el modelo de densidad que puede proporcionar la teledetección.

"Es destructivo, por supuesto, esa es la desventaja, pero lo bueno es que puedes ver fotografías y hacer observaciones directas, “Maloof.” Eso es lo que me ha cambiado tanto la vida:me encanta que no sea un modelo. Puedes verlo. En cualquier rebanada dada, si encuentras algo genial, puedes encontrar la rebanada y decir, '¿Cómo se veía?' ... Estamos en un recorrido virtual por el interior, en lugar de mirar formas de onda e intentar interpretarlas ".

Y mientras GIRI pulveriza la muestra, conserva cada detalle en sus imágenes de alta resolución, Maloof dijo:lo que posiblemente lo hace menos destructivo que otros enfoques. También conserva la información estructural que revela cómo se formaron las rocas. "Cuando la gente ha intentado obtener información tridimensional de rocas como ésta que son opacas a los rayos X, siempre han intentado disolver el material. Pero luego pierde toda la información in situ. No sabes cómo crecieron. No tienen ninguna relación entre ellos. Y no sabe cómo se relacionan con partes quizás más pequeñas o menos resistentes. Preferiblemente puede disolver la ornamentación u otros detalles clave. Así que esta es una forma de mantenerlos en su hábitat y al mismo tiempo tratar de averiguar cómo se veían ".

En los años transcurridos desde que Maloof reunió a GIRI, él y su equipo de investigación han logrado mejoras físicas. Estos incluyen rediseñar y reemplazar la carcasa de la cámara, así como el mecanismo para limpiar y preparar la superficie de la roca para fotografiar después de cada molienda. También instalaron monitores de temperatura y humedad para registrar las condiciones durante cada fotografía. Los investigadores también redujeron el tiempo de molienda por rebanada de siete minutos a 90 segundos. Los mayores cambios aunque, han estado mejorando el software para ejecutar la máquina y analizar la salida.

Usando una colección de scripts MATLAB interactivos y funciones de Applescript, la computadora de control ahora puede enviar y recibir señales del molinillo, disparar el obturador, y verificar la captura de imágenes, todo mientras GIRI está en funcionamiento, Dijo Mehra.

"Desde el principio, Akshay ha diseñado soluciones de aprendizaje automático para realizar el proceso de segmentación de imágenes:diferenciar los fósiles de la matriz, cemento, etc., en cada segmento, automatizado y confiable, ", dijo Maloof." Ha desarrollado técnicas que, en última instancia, serán importantes para cualquier aplicación tomográfica, incluida la tomografía computarizada de rayos X. Akshay también ha desarrollado formas de realizar mediciones cuantitativas en los volúmenes tridimensionales reconstruidos. Le sorprendería saber cuánto modelado 3D solo conduce a la visualización y la interpretación cualitativa, mientras que Akshay mide realmente el tamaño, forma y orientación tridimensional de estos bichos ".

Usando el software que ha desarrollado, "Podemos medir directamente estos especímenes de Cloudina, ", dijo Mehra." Podemos medir directamente en qué direcciones se doblan los tubos, cuáles son sus diámetros, cuáles son sus curvaturas (ninguna de ellas es realmente recta) y, según esa información, podemos determinar si están in situ o no in situ ".

Mehra también ha diseñado redes neuronales para identificar los tipos de rocas solo por sus propiedades visuales:color y textura. Después de que el usuario define qué "clases" están presentes en un puñado de imágenes de la pila:fósil versus matriz, por ejemplo, o los minerales clave en una roca metamórfica:la red puede predecir si un píxel pertenece a una clase determinada con una precisión superior al 90 por ciento.

Y con todo eso él dijo, Por lo general, los estudiantes de pregrado y posgrado pueden capacitarse para ejecutar GIRI en aproximadamente un día.

Científicos de todo el mundo se han acercado a Maloof y Mehra para solicitarles recorridos visuales dentro de sus propios ejemplares. Los paleontólogos esperan examinar las delicadas estructuras de la vida más temprana en la Tierra, la enorme variedad de criaturas tempranas con caparazón, el primer pez, las primeras criaturas terrestres, la estructura interna de las amonitas y otros organismos con sistemas de flotabilidad internos, e incluso huesos de dinosaurios. Los científicos planetarios han comenzado a examinar meteoritos con GIRI para observar pequeños granos llamados condrules que contienen pistas sobre cómo se formaron los planetas. Los ingenieros están probando posibles rocas de depósito para el secuestro de carbono y triturando baterías de grafito para examinar la estructura tridimensional de la porosidad dentro del carbono.

Realmente no hay límite para las contribuciones que GIRI puede hacer, dijo Maloof. "Esto representa cinco años de trabajo. Es el único instrumento en el mundo como este".