Application of 3D printing to build models of the microzoon: Take three kinds of soil animals as an example / MIAO Kejia, BU Yun, ZHANG Yunfei

———以三类小型土壤动物为例

Science Education and Museums - - Science Education and Museums - 缪克佳 卜 云 张云飞上海自然博物馆(上海科技馆分馆)

0 引言

在自然博物馆中, 微小动物的科学展示是一个长期存在的难题。 微小动物,尤其是小型土壤动物,它们的身体大多只有1 mm 左右, 致使人们难以发现其细微的形态特征。 但由于场馆空间等多方面因素的限制, 又无法结合显微镜与玻片标本或浸制标本进行展示,加之不能让观众用手触摸标本,造成教育效果大打折扣。 对此,我们决定使用3D打印技术来解决这个问题。

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料, 通过逐层打印的方式来构造物体的技术。 该技术自 20 世纪 90 年代诞生以来,普遍应用于模型制作、文物修复、文创

开发等各个领域[1-3]。近年来,有国外学者或借此开展

关于海洋微体古生物的分类学研究[4- 5];或借此从事动物形态[7]学研究[ 6];或借此拍摄关于土壤动物的科学纪录片 。 美国史密森博物馆等知名博物馆都已

经引进了3D扫描和打印设备[ 8],并开始设立面向公

众的相关教育活动[ 9],让那些平常只能透过玻璃观察的藏品变得触手可及, 可以审视它们的每一个细节,大大提高了观众的参观兴趣。

本研究尝试通过计算机辅助建模和3D 打印技术,在保证科学性和真实性的前提下,完成水熊虫、

蜱螨和原尾虫三种小型土壤动物的模型制作, 以期为解决微小动物直观呈现的问题提供一些借鉴,进一步增强自然博物馆的展示教育功能。

1 材料与方法

1.1 研究对象

1.2 研究方法

本研究选取三类土壤中常见的微小动物: 水熊虫、蜱螨和原尾虫(见表1),分别隶属于缓步动物门和节肢动物门。 拍摄并搜集这三类动物的显微照片及视频资料, 保证每类动物至少有6张全方的位 照片。 同时,在野外采集活体动物,通过显微镜观察其形态特征和运动特性。

本研究根据显微照片和视频资料等, 使用计算机辅助建模软件手工创建微小动物的模型, 将二维图像信息转化为三维模型文件, 最后通过 3D 打印机快速成型。

( 1)建模软件

摘 要 通过使用计算机辅助建模和快速成型技术制作水熊虫、蜱螨和原尾虫三类小型土壤动物的模型,探索了3D打印技术在自然博物馆展示中的应用,以期为解决微小动物直观呈现的问题提供一些借鉴。关键词 3D打印 土壤动物 自然博物馆

3D模型的创建主要使用 Maya、zbrush、magics等三维数字软件来实现。 其中,Maya 由美国 Autodesk公司设计开发,能通过曲面、多边形和细分等方式准确地建立 3D 模型,在模型塑造、场景渲染、动画制作等领域有着广泛的应用。 Zbrush 由美国Pixologic 公司设计开发,它独特的数字雕刻工具使设计师可以自由地对3D模型进行细节处理。 Magics 由比利时 Materialise 公司设计开发,能方便快捷地编辑和修改3D模型的数字文件, 并有效降低打印误差。

(2)打印设备3D 模型的打印主要使用联泰 SLA 3D打印机(RSPRO 450)来完成。这台工业级 3D打印机的成型范围为 450 mm×450 mm×350 mm,成型精度为±0.1 mm(l≤100mm)或±0.1% xl(l>100mm)。使用的打印材料为光敏树脂( Somos1 Protogen 18420)和透明光敏树脂( Somos Watershed XC)。

2 制作过程

2.1 3D 建模

(1)创建基本模型。 水熊虫的基本模型使用了Zbrush 软件中特有的 Zsphere 建模方式,通过调整Z球的位置和尺寸来表现水熊虫的体节, 将这些Z球连接起来就能创建出水熊虫的身体轮廓(见图1a)。 蜱螨的基本模型使用了 Zbrush 软件中的基本球形几何体,通过 Move 和 Clay 笔刷进行细化使变形的球体与蜱螨的大致模样相吻合(见图2a)。 原尾虫的基本模型使用了Maya软件中的多边形建模方式,利用基本圆柱体的变形,通过调整点和线的位置

来表现原尾虫的体节比例, 改变身体的弯曲度来表现原尾虫的运动姿态(见图3a)。

(2)雕刻身体细节。 主要通过 Zbrush 软件中的各种笔刷来进行微调:水熊虫模型使用了Clay 笔刷来表现皮肤的皱褶, 还使用了 Alpha 工具来表现背部的颗粒(见图 1b);蜱螨模型使用了 Alpha 工具来表现皮肤的纹理(见图 2b);原尾虫模型使用了Move笔刷来调整体节的比例(见图3b)。

(3)添加相应的体节和器官。首先通过基本几何体变形来制作微小动物的体节和器官, 再使用Zbrush 软件中 Subtool 工具把体节和器官拼接在身体上。 水熊虫模型增加了足、爪、触须、口器和刚毛(见图 1c);蜱螨模型增加了足和口器(见图 2c);原尾虫模型增加了假眼、腹足和口器(见图3c)。

(4)输出模型文件。将微小动物的所有身体部分进行组合,把制作完成的模型保存为STL 文件。 将STL 文件导入 Magics 软件中,修补破面并去除重叠部分,减少打印过程中的出错概率。在工具中选择抽空模型,设置打印壁厚为2 mm。

2.2 3D 打印

印,制成的模型约为将检查完毕的 STL 10~201cm。文件导入 3D与实物相比,水熊打印机进行打虫模型的头部和体节结构匀称,触须、刚毛等细节分毫不差(见图 4a、4b);蜱螨模型的表皮条纹清晰,爬行姿态逼真(见图 4c、4d);原尾虫模型的体节比例准确,假眼、腹足、口器等器官均有表现(见图 4e、4f)。 由此可见,3D打印模型能够真实、科学地反映这三类微小动物的形态特征, 符合博物馆展示教育的需要。

3 讨论

馆的一个难题。传统的模型制作方法需要通过搭架、上泥、雕塑、翻模、浇注等多种工艺,其对工作人员的如何制作微小动物的放大模型一直是困扰博物技术要求很高,必须具备丰富的经验。 同时,此种方法的步骤极为繁琐,制作周期相当长,单件成本也比较高。近年来,国外开始利用激光共聚焦和微焦点计算机断层扫描获取外部轮廓和内部脏器的图像信息,再通过计算机分析和模拟进一步得到立体结构,进行微小动物3D模型的打印制作, 取得了一定的成果。 但是, 昂贵的设备投入增加了模型制作的成

本,却不能反映预先设想的行为姿态,且具有一定的修改难度。 因此,这个方法恐怕也缺乏可行性。

如表 2 所示, 结合计算机辅助建模和3D 打印技术制作微小动物模型是一种相对快速、经济、灵活的方法,尤为适宜用来制作科普展品和教具。其无需借助扫描设备, 在小规模模型制作中成本优势非常明显。同时,每个制作环节都可以备份,对姿态、尺寸的大幅度修改也很便捷。

4 结语

今天, 信息技术的高速发展给博物馆行业带来了空前的机遇和挑战, 全世界的博物馆都在思考如

何顺利转型以适应新的环境 。 随着技术的成熟和

[10]成本的降低,3D打印日后必将成为博物馆的常规技术,遍及陈列展览、科普教育、衍生品设计等多个方面。未来,3D打印技术可与互联网技术相融合,进而构建虚拟博物馆, 让观众可以不受时间和空间的限制,显著提升博物馆的科学普及水平。

参考文献

[1]缪克佳. 3D 打印技术在古生物复原领域应用的初探[J].科学教育与博物馆, 2015,1(5):365-368.

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[3]林洁.博物馆里的个性定制———试论 3D 打印技术在博物馆文创产品中的应用[M]//中国博物馆协会文创产品专业委员会.中国博物馆文化产业研究.武汉:湖北人民出版社, 2015:347-351.

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( 2016-09-02 收稿; 2016-10-12 修回)

作者简介:缪克佳( 1986—),男,从事化石修复和模型制作工作, E-mail: miaokj@sstm.org.cn。

表 1 本研究选取的三类微小动物

a1创建基本轮廓; b1采用工具雕刻并添加细节; c1完成后的模型图 1 水熊虫的3D建模过程

a 创基建 本轮廓;b 采用工具雕刻并添加节细 ;c 完成后的模型图 2 蜱螨的3D建模过程

a 创基建 本轮廓;b 采用工具雕刻并添加节细 ;c 完成后的模型图 3 原尾虫的3D建模过程

表 2 三种模型制作方法对比

a 水熊虫显微照片; b 水熊虫模型成品; c 蜱螨显微照片; d 蜱螨模型成品; e 原尾虫显微照片; f 原尾虫模型成品图 4 三类微小动物的显微照片和模型成品

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