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Un cráneo de rinoceronte impreso en 3D

Las tecnologías de última generación ofrecen nuevos datos a los investigadores

Los procesos industriales de creación de imágenes e impresión 3D permiten dar vida a las especies extinguidas para la ciencia y la investigación, así como obtener nuevos datos sobre sus condiciones de vida.

Cuando los paleontólogos y científicos ven películas como Jurassic Park, la mayoría no se suele interesar por la trama, sino por saber cómo los productores de las películas de Hollywood han logrado reproducir con tanta exactitud el comportamiento y los movimientos de especies que llevan extinguidas tanto tiempo. Tras décadas de investigación, la mayoría de los expertos en este campo solo pueden hacer afirmaciones genéricas sobre la vida de un anquilosaurio, e incluso los resultados de estas investigaciones generan gran controversia entre los profesionales.

El problema principal es que los restos de los animales nos permiten extraer muy pocas conclusiones certeras sobre sus condiciones de vida reales y es difícil determinar hechos concretos basados en un análisis puramente superficial. Este problema no solo se plantea en la paleontología, sino que también es cada vez más frecuente en otras ramas de la investigación biológica. Por culpa del cambio climático, la desaparición de hábitats y la caza furtiva, cada vez hay más especies en peligro de extinción o que ya han desaparecido de la faz de la Tierra. Los golpes de suerte, como el reciente redescubrimiento del canguro arbóreo Wondiwoi (que se creía extinto), son muy poco frecuentes, y los centros de investigación como el Centrum für Naturkunde (CeNak) de la Universidad de Hamburgo, que se dedica a la investigación de la biodiversidad y la evolución, tienen que recurrir a la creatividad para obtener resultados fiables.

En estos casos, las tecnologías de radiología más avanzadas ofrecen una herramienta fundamental para los científicos. Gracias a los últimos avances se pueden utilizar estrategias que hace diez años eran impensables. Por ejemplo, los análisis detallados que se extraen a partir de la tomografía computarizada de alta resolución actual y los modelos impresos en 3D generados abren un abanico de oportunidades completamente nuevas para la investigación científica básica.

Rinocerontes digitalizados

Una de estas soluciones creativas para explorar especies amenazadas o extintas se aplicó a una de las piezas del inventario científico del CeNak. En el marco de la exposición Verschwindende Vermächtnisse: Die Welt als Wald («Un patrimonio en vías de extinción: el mundo como bosque»), el objetivo era llamar la atención sobre el rinoceronte de Sumatra en concreto. El CeNak posee un cráneo de esta especie desde la década de 1920, y se calcula que solo quedan vivos 100 ejemplares. En el pasado resultaba difícil extraer conclusiones específicas sobre la estructura y la anatomía del cráneo.

 

En breve

Reto

YXLON utilizó su tecnología para crear una imagen completa de alta resolución del cráneo, creando una réplica digital precisa. Querían imprimir esta réplica en 3D para mostrar lo detallado que era su escaneado en una feria que se acercaba rápidamente.

Solución

La réplica digital podía ser cargada en el sistema de cotización de Protolabs. Esto permitió a los ingenieros de aplicación de Prototabs asesorar sobre las estructuras de soporte que el diseño necesitaría para la impresión.

Resultado

Protolabs pudo imprimir el cráneo en Accura Xtreme White 200 para adaptarse mejor a las necesidades del cliente. YXLON pudo cumplir con su plazo de entrega para la feria y mostrar las capacidades de su tecnología de escaneado de última generación.

 YXLON
sistema YXLON FF85 CT con la técnica de doble hélice

In the past, however, it was difficult to draw specific conclusions about the structure and anatomy of the bone.

Con motivo de esta exposición, el profesor Thomas Kaiser, director del departamento de Mastozoología y Paleoantropología del CeNak, aprovechó para buscar a colaboradores que pudieran realizar un estudio más detallado del cráneo. La empresa elegida fue YXLON, especialista en radiografía y tomografía computerizada industrial. El objetivo del investigador era crear una exploración tridimensional del cráneo, por un lado para llamar la atención sobre el grave riesgo de extinción de esta especie durante la exposición y, por otro, para poder utilizarlo en la investigación científica sobre este mamífero.

Para Yxlon, empresa habituada a trabajar con piezas fundidas, motores y electrónica, este auténtico desafío confirma la creciente demanda de aplicaciones en el ámbito de las ciencias naturales. En ocasiones anteriores, Yxlon había realizado tomografías de animales pequeños, como ranas, serpientes, fósiles u órganos. En este caso, como el cráneo del rinoceronte de Sumatra era de un tamaño muy superior, el reto era importante. «Para especímenes tan grandes como este, tenemos que utilizar un sistema de tamaño adecuado y técnicas de grabación especiales para obtener la máxima resolución posible», explican el doctor André Beerlink y Philip Sperling, director de ventas del Departamento de Ciencia y Nuevos Materiales de Yxlon. Finalmente, eligieron el sistema YXLON FF85 CT con la técnica de doble hélice, y el cráneo se giró varias veces durante el proceso de exploración para obtener una imagen completa y una buena resolución. Gracias a este procedimiento, el equipo de científicos que colaboran con el profesor Kaiser lograron el objetivo de obtener un volumen digital 3D de alta resolución con el máximo nivel de realismo para simular el comportamiento biomecánico.

Dr. Thomas Kaiser y Dr. Étienne Turpin
Dr. Thomas Kaiser y Dr. Étienne Turpin holding the Sumatran Skull

Precisión al micrómetro

Finalmente, tras la tomografía y la edición posterior de los datos sin formato y de los archivos de la exploración, se pudo admirar el trabajo terminado. Los expertos de Yxlon habían conseguido crear una reproducción digital exacta del cráneo del rinoceronte. Todos los implicados en el proceso quedaron sorprendidos por el nivel de detalle logrado. Gracias a la tomografía computerizada y a la técnica especial de doble hélice, se pudieron detectar y replicar las estructuras más finas, con un tamaño de solo 100 micrómetros, incluso dentro del cráneo. El volumen digital en 3D proporcionó a los investigadores una gran cantidad de información que había permanecido oculta durante investigaciones anteriores. Gracias a los nuevos conocimientos sobre la estructura ósea y las posiciones biomecánicas respectivas de las dos mandíbulas, los científicos pudieron reunir inmediatamente algunas pruebas sobre la edad, la dieta y el modo de vida del animal, que hasta ese momento no se conocían.

Aparte de la exposición del CeNak, en la que la exploración craneal en color, presentada como un objeto visual distanciado, se utilizó para llamar la atención sobre esta especie en peligro de extinción, el volumen digital en 3D también sirvió para realizar la simulación biomecánica de los movimientos de la mandíbula. Con las simulaciones de elementos finitos se pudo usar el cráneo explorado para estudiar la distribución de las fuerzas en la mandíbula y el cráneo. Las conclusiones extraídas sobre la morfología de la estructura ósea a partir de esta información permiten a los científicos hacer suposiciones más complejas sobre las condiciones de vida del animal. En el caso del rinoceronte de Sumatra, estos datos podrían indicar hábitats que serían adecuados para reasentar las especies amenazadas y, en el mejor de los casos, evitar su completa extinción.

Para los científicos que trabajan con el profesor Kaiser y los comisarios de la exposición del CeNak, la exploración del cráneo representa la base para futuros trabajos de investigación y exposiciones. Pero, en el caso de Yxlon, la exploración final representaba también un nuevo principio.

escáneo del cráneo del rinoceronte de Sumatra
escáneo del cráneo del rinoceronte de Sumatra

Caza de trofeos sin presa: la impresión 3D permite crear reproducciones de un realismo sorprendente

Debido al elevado coste y a la increíble calidad y excepcionalidad de la exploración, Yxlon vio claro que este proyecto podría ser un importante escaparate de las capacidades de sus avanzados sistemas de tomografía computerizada y de la experiencia de la empresa. Era necesario, pues, tratar la exploración del cráneo del rinoceronte de Sumatra como una auténtica joya. Sin embargo, el equipo de Yxlon debía actuar rápido si quería presentarla en la siguiente feria comercial.

Durante un viaje de negocios a Nueva York realizaron una búsqueda en Internet y conocieron Protolabs, una empresa dedicada a la fabricación de prototipos personalizados y a la producción de tiradas cortas mediante fabricación aditiva, moldeo por inyección y CNC. Como durante el viaje solo tenían acceso al archivo de la exploración del cráneo, les resultó muy útil el servicio de carga de datos y pedidos en línea de Protolabs. Esta empresa se compromete incluso a proporcionar archivos y diseños complejos en una amplia gama de materiales en un plazo breve, con un proceso que sigue siendo intuitivo y sencillo para el usuario. Los expertos de Protolabs les contactaron al día siguiente para comentar el camino a seguir, ya que tampoco estaban acostumbrados a realizar impresiones 3D de este tipo.

A pesar del poco tiempo que quedaba para la inauguración de la feria y para realizar la impresión 3D, además de los ajustes necesarios en la exploración para asegurar la viabilidad del proceso aditivo, los expertos de Protolabs lograron producir una reproducción totalmente realista del cráneo de rinoceronte de Sumatra. Se podían identificar incluso los detalles más pequeños del original en el modelo, solo que el material era diferente. En lugar de hueso, se utilizó el material Accura Xtreme White 200, por lo que el modelo impreso en 3D era más claro y no tenía manchas. Philip Sperling y el doctor André Beerlink se mostraron encantados con la calidad.

Para nuestros clientes y socios, y también para nosotros, fue muy emocionante descubrir que podíamos materializar el resultado de las tomografías computerizadas y que Protolabs era capaz de imprimir los detalles más pequeños de este cráneo de rinoceronte de Sumatra con la misma calidad. La impresionante rapidez de procesamiento y el asesoramiento experto que nos ofrecieron para llevar a cabo esta complicada tarea solo hicieron que confirmar nuestra experiencia positiva con Protolabs

De todos modos, en el futuro estos modelos impresos en 3D no solo se podrán utilizar como escaparate en ferias comerciales. El ejemplo del rinoceronte de Sumatra ha demostrado que las exploraciones mediante tomografías computerizadas y la fabricación aditiva pueden utilizarse para crear reproducciones totalmente realistas de fósiles únicos que tienen un valor incalculable para la investigación y la enseñanza. Las tecnologías modernas permiten hacer suposiciones sobre la forma en que viven y se comportan los animales, y también sirven para crear objetos de investigación con los que realizar pruebas y ampliar las investigaciones sobre los seres vivos que se extinguieron hace tiempo. Daniel Cohn, director ejecutivo de Protolabs Deutschland, también lo ve así: «Aunque recrear fósiles representa un reto especial, vale la pena todo el esfuerzo para lograr unas reproducciones tan fieles. Nos complace enormemente poder ofrecer un gran servicio a la ciencia con nuestras reproducciones y también contribuir a la protección de las especies».