Posen für die Nachwelt

Weit mehr als ursprünglich erhofft hat eine Kooperation von Optotechnikern der Hochschule Darmstadt und Ökologen der TU Darmstadt hervorgebracht. Gemeinsam haben sie ein Gerät entwickelt, das helfen kann, Insektenpräparate zu bewahren, die sonst für immer verloren zu gehen drohen. Mehr noch: Seine Methodik macht den Darmstädter Insektenscanner weltweit einmalig.

Sie kriechen, krabbeln und fliegen mehr und mehr in den Fokus der Öffentlichkeit: Insekten. Zunehmend dringt ihre herausragende Bedeutung für unseren Planeten ins kollektive Bewusstsein vor. Vom Sterben der Bienen ist zu lesen, deren emsiges Schaffen für Natur und Mensch so essenziell ist. Vom beängstigenden Rückgang der Artenvielfalt ist zu hören und von den Folgen der intensiven Landwirtschaft. Wenn wir nicht bestimmte Verhaltensweisen ändern, werden unsere Nachkommen viele Insekten nicht mehr fliegen und krabbeln sehen, die wir als Kinder noch auf dem ausgestreckten Finger von allen Seiten betrachten konnten. Ähnliches, aber mit wissenschaftlichem Tiefgang, vollbringt ein technisches Gerät, das eine Kooperation von h_da und TU Darmstadt hervorgebracht hat. Der „DISC3D“ (Darmstadt Insect Scanner 3D) rückt, ganz im Wortsinn, Insekten in den Fokus, um sie in all ihren Facetten zu erfassen. So könnte der Darmstädter Insektenscanner zum Erhalt des Wissens über die Arten beitragen.

Michael Heethoff, promovierter Biologe, gehört der Arbeitsgruppe Ökologische Netzwerke der TU Darmstadt an. Der Ökologe und Insektenkundler befasst sich unter anderem mit morphologischen Untersuchungen zur Biodiversität. Morphologie ist die Wissenschaft von der äußeren Gestalt der Lebewesen. Biodiversität bezeichnet die biologische Vielfalt der lebenden Arten. Zum Instrumentarium von Heethoff und Kollegen bei der Untersuchung des weltweiten Insektenbestands zählen hochmoderne Röntgen-Tomographen. „Aber es gab bisher kein einfaches, leicht zugängliches Messverfahren, um beispielsweise Oberfläche und Volumen von Insekten zu bestimmen“, erklärt der 45-Jährige. Ein solches Werkzeug wurde bislang vermisst, denn beide Größen sind wichtige Faktoren, um die Physiologie der Arten zu verstehen. „Ein Kollege, der an der h_da studiert hat, gab mir den Tipp, deshalb die dortigen Optotechniker zu kontaktieren“, blickt Michael Heethoff zurück. Wenige Wochen nachdem Heethoff im September 2014 eine E-Mail an die h_da geschrieben hatte, kam es zu einem ersten Treffen. Neben Heethoff und seinen Kollegen Sebastian Schmelzle und Nico Blüthgen saßen die h_da-Professoren Stephan Neser und Bernhard Ströbel vom Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften mit am Tisch. Sie diskutierten und taxierten mögliche Lösungsansätze. Am vielversprechendsten erschien dabei der von Stephan Neser vorgeschlagene Ansatz: die Mehrbild-Stereophotogrammetrie, auch unter dem Namen „Structure from Motion“ bekannt. „Aus unseren Erfahrungen in der optischen 3D-Messtechnik heraus schien uns dieses Verfahren am geeignetsten“, sagt Ströbel.

Physiker Bernhard Ströbel, mit damals 65 Jahren in seinem letzten Dienstsemester im Fachgebiet Optotechnik und Bildverarbeitung, verfolgte das Projekt auch im offiziellen Ruhestand weiter. Mit der Anschubhilfe von Stephan Neser nahm das federführend von Heethoff und Ströbel betreute Vorhaben nun Fahrt auf. Zwei TU-Studierende bauten ab Ende 2014 im Rahmen eines Praktikums an der h_da einen ersten provisorischen Messplatz auf. Die Chemie zwischen den Darmstädter Wissenschaftlern stimmte, erzählt Michael Heethoff. „Unsere Disziplinen haben eigentlich keine nennenswerte Schnittmenge an Wissen und Vokabular. Da ich mich aber auch schon seit vielen Jahren mit der 3D-Bildgebung beschäftige, klappte die Zusammenarbeit hervorragend.“

Erster Prototyp im Sommer 2015

Im vierten Stock des Gebäudes C 10, im Labor für optische 3D-Messtechnik im Hochhaus der h_da, wurde die Entwicklung des Scanners vorangetrieben. „Unser Techniker Ken Justice hat uns dabei enorm unterstützt. Er hat die gesamte Technik aufgebaut und viele Ideen für die mechanische und elektronische Umsetzung eingebracht“, betont Bernhard Ströbel. Aus Bauteilen wie Industriekamera, Alu-Profilstücken und Elektromotoren erwuchs nach und nach „ein System für die allseitige fotografische Erfassung und dreidimensionale Modellierung genadelter Insekten“. So lautet die fachlich korrekte Beschreibung dessen, was auch die Macher selbst kurz den „Darmstädter Insektenscanner“ nennen. Bereits im Sommersemester 2015 bauten Studierende des Studiengangs Optotechnik und Bildverarbeitung den ersten Prototypen auf. In den folgenden Semestern befasste sich etwa ein Dutzend Kommilitonen in Projektgruppen – betreut durch Bernhard Ströbel – mit der Programmierung des Messablaufs, der Ka­merajustierung, der Schwingungsisolation und der Steuerung der diversen Motoren.

Aus ihrer abteilungseigenen Sammlung stellte die Arbeitsgruppe Ökologische Netzwerke Versuchsobjekte zur Verfügung. Die interdisziplinär und hochschulübergreifend arbeitenden Wissenschaftler vermaßen Käfer, Wildbienen, Schmetterlinge und Schneckengehäuse. Bald zeigte sich, dass mit dem inzwischen DISC3D getauften Scanner die ursprüngliche Aufgabe, eine Methode zur Bestimmung von Oberfläche und Volumen von Insekten zu finden, gelöst war. Die vom Scanner generierte dreidimensionale Karte aus Oberflächenpunkten in Echtfarben schafft maßstabsgetreue 3D-Modelle der Objekte. Aus diesen lassen sich unter anderem Größen wie die Oberfläche oder das Volumen der Insekten entnehmen. Das gesuchte Instrument war also gefunden.

Problem gelöst. Mission erfüllt. Doch ein Nebenprodukt des Scanprozesses hatte das Interesse der Forscher geweckt. „Die Qualität der Fotos wurde bald so gut, dass es sich anbot, sie auch für andere Zwecke einzusetzen“, erklärt Michael Heethoff. „Uns kam die Idee, dass der Scanner auch die digitale Archivierung konservierter Insekten leisten könnte.“ Denn hierin liegt eine weitere, besonders dringliche Aufgabe der Ökologen. Weltweit sind mehr als eine Million Arten archiviert, vor allem in den Sammlungen naturkundlicher Museen. „Diese Schätze sind vom Verfall bedroht“, erklärt Heethoff. An den Präparaten nagen der Zahn der Zeit – und Schädlinge wie der Museumskäfer. Zerfallen sie zu Staub, geht wertvolles Wissen unwiederbringlich verloren. Da die Präparate bislang nur ortsgebunden verfügbar sind, müssen Experten weite Reisen auf sich neh­men, um sie in Augenschein nehmen zu können. Aus diesen Gründen sind weltweit Projekte angelaufen, um die unersetzlichen Insektensammlungen zu digitalisieren und für die Nachwelt zu erhalten.

Drehen, wenden – und teilen

Viele dieser Versuche entpuppen sich jedoch als sehr aufwändig oder führen zu qualitativ unbefriedigenden Ergebnissen. Dort, wo die Präparate lediglich aus zwei oder drei Perspektiven abfotografiert werden, blieben viele Merkmale im Ungefähren, die es braucht, um Arten voneinander zu unterscheiden, sagt Michael Heethoff – zum Beispiel die Länge der Beinglieder oder die Formen der Mundwerk­zeuge. Solche Facetten macht der Darmstädter Insektenscanner sichtbar. Seine Aufnahmen lassen Härchen, Flügelstrukturen oder Farben detailliert erkennen. Die Fachleute können die aus den Bildda­ten generierten Modelle der Insekten am Bildschirm drehen, wenden und inspizieren. Zudem lassen sich die digitalisierten Informationen speichern und weltweit teilen. Damit könnte der DISC3D den Wis­senstransfer über die Artenvielfalt befeuern. Michael Heethoff glaubt, dass dadurch auch in der Ökologie mehr möglich wird. Lange Zeit seien vor allem beschreibende Artenlisten erstellt und ge­führt worden, sagt er. „Inzwischen richtet sich der Blick verstärkt auf sich verändernde Merkmale in Ökosystemen und ihren Organismen. Diese werden in Bezug zu Phänomenen und Einflussfaktoren wie Klimaerwärmung und zunehmender Landnutzung gesetzt.“ Auf Grundlage der dreidimensionalen Ansichten aus dem Insektenscanner, die auch zahl­reiche kleinere Merkmale erkennen lassen, lasse sich nun weit besser nachvollziehen, wie diese sich verändert haben. „Jetzt können wir diese Veränderungen aus sich gleichzeitig ändernden Rahmenbedingungen heraus zu erklären versuchen.“ Über die tatsächlichen Ursachen solcher Veränderungen könne letztlich auch die Evolutionsbiologie keine definitive Aussage treffen. „Aber durch eine solche Be­trachtung lassen sich nun potenziell Mechanismen erkennen – und nicht nur Muster.“

Die Methodik des Darmstädter Ansatzes hebt sich von den anderen Bemühungen zur Digitalisierung von Insektenpräparaten ab, weil erstmals zwei Techniken kombiniert werden: die automatische allseitige Erfassung und das Scannen mit erweiterter Schärfentiefe. „In dieser Hinsicht bietet unser Scanner einen großen Vorteil beim Digitalisieren von Sammlungen“, sagt Michael Heethoff. „Zum einen muss man das empfindliche Präparat nicht mehr in die Hand nehmen und umnadeln, also in einer an­deren Position montieren. Zum anderen läuft der Scanvorgang automatisiert ab.“ Aufwand und Ar­beitszeit reduzieren sich so entscheidend.

Weltweit einmalig

„Wir sind damit die Einzigen, die routinemäßig 3D-Modelle von Insekten erstellen können“, sagt Bernhard Ströbel. Und das läuft so ab: Das genadelte Präparat wird im Zentrum zweier Halbkugeln montiert, wo es gleichmäßig mit indirektem Licht ausge­leuchtet wird. Nun wird das Insekt von Schrittmotoren in regelmäßigen Abständen um zwei Achsen gedreht. „Es wird in etwa 400 verschiedene Posen vor der Kamera gebracht“, sagt Bernhard Ströbel. In jeder Pose fährt die Kamera auf einem Makroschlitten vor und zurück und macht Aufnahmen, bei denen jeweils eine Ebene des Präparats scharf abgebildet wird. Die so entstehenden rund 25.000 Bilder werden miteinander verrechnet. Daraus werden die Bilder mit erweiterter Schärfentiefe sowie farb-und größengetreue dreidimensionale Modelle der Präparate generiert. „Wir bestücken das Gerät und geben einige Parameter per Tastatur ein. Der Scan läuft dann automatisch ab – ohne, dass jemand anwesend sein muss“, erklärt Ströbel. „Das macht, soweit wir nach Prüfung der Quellen wissen, unseren Scanner weltweit einmalig.“

Die anfallenden Datenmengen sind erheblich. „Würden wir die Rohdaten der Bilder speichern, wäre das bei jedem einzelnen Scan ein halbes Terabyte, also 500 Gigabyte“, sagt Bernhard Ströbel. Deshalb werden die Daten schon parallel zur Vermessung weiterverarbeitet und ihre Menge dabei reduziert. Die fertigen Aufnahmen eines Präparats samt 3D-Modell beanspruchen durchschnittlich nur noch 600 bis 700 Megabyte. „Was uns derzeit noch Probleme macht, sind besonders feine Körperteile. Härchen, Borsten und die wahnsinnig dünnen, durchsichtigen Flügel dreidimensional zu modellieren, ist sehr schwierig“, räumt Ströbel ein. Zudem seien teil­weise verdeckte Körperteile oder Details an beson­ders dunklen Insekten mitunter schwer zu erfassen. „Aber an beidem arbeiten wir.“

„Im Januar brauchten wir noch bis zu zehn Stunden, inzwischen maximal fünf Stunden für einen Scan“, beziffert Bernhard Ströbel die aktuell nötigen Messzeiten. Dabei gilt: Je kleiner, desto länger. „Da kleine Insekten stark vergrößert abgebildet werden, spielt hier die geringe Schärfentiefe eine besonders große Rolle“, erklärt Ströbel. Das Gros der Zeit beansprucht die Berechnung der Bilder. „Das ist im Wesentlichen eine Frage von Rechenkapazität und Software. Unser Ziel ist es, einen Scan in weniger als einer Stunde zu schaffen – und das möglichst noch mit verbesserter Auflösung!“

Was folgt auf den Dungkäfer?

Zunächst aber steht der erste größere Routineeinsatz an. „Es geht darum, einen digitalen Atlas der heimischen Dungkäferarten zu erstellen“, erklärt Biologe Heethoff. Bald könnte der DISC3D auch die teilweise mehr als 100 Jahre alten Präparate aus den renommierten Sammlungen digitalisieren. „Mehrere große naturkundliche Museen haben bereits Interesse signalisiert“, sagt Ströbel. Die Väter des Darmstädter Insektenscanners richten den Blick aber schon darüber hinaus. Denn löst man den Scanner aus dem biologischen Kontext, öffnet sich ein weites Feld weiterer Anwendungsmöglichkeiten. „Der Scanner eignet sich prinzipiell zur 3D-Vermessung aller kleineren Objekte“, sagt Ströbel. „Deshalb sind zahllose Anwendungen möglich – sei es für Forschungseinrichtungen, Schulen, Betriebe oder Privatleute.“ Später einmal, ergänzt Heethoff, könnte der DISC3D Teil wissenschaftlicher Projekte sein, die mit Unterstützung interessierter Laien realisiert werden – Stichwort „Citizen Science“. Diese könnten dabei Vermessungen oder Berechnungen übernehmen.

Der Open-Source-Gedanke gehört zur DNA des Projekts. „Wir haben keine kommerziellen Interessen – aber viele Ideen“, sagt Ströbel. „Und die Technologie bietet zahlreiche Ansatzpunkte. Wir wünschen uns, dass sie auch von anderen mit- und weiterentwickelt wird.“ Damit möglichst viele Menschen mitwirken können, wurde auf leicht beschaffbare Komponenten geachtet. Der Nachbau des Scanners ist ausdrücklich erwünscht, betonen Ströbel und Heethoff. Interessierten soll der Bauplan zugänglich gemacht werden. „Die Materialkosten sind relativ überschaubar“, sagt Ströbel. „Kamera, Objektive, Makroschlitten, Mechanik- und Elektronikteile bekommt man für rund 5.000 Euro.“ Hinzu kommen Rechner und Arbeitszeit. Derzeit wird teilweise noch kommerzielle Software eingesetzt. Diese soll aber nach und nach durch Open- Source-Lösungen ersetzt werden. Der Zugang zur Technik ist damit zwar nicht barrierefrei, aber doch niederschwellig.

Michael Heethoff hat noch eine weitere Vision, wozu der Scanner dienen könnte. „Heute können die wenigsten Menschen eine Schwebfliege von einer Wespe unterscheiden“, sagt der Biologe. Der DISC3D könne dazu beitragen, eine weltweit verfügbare Datenbank zu schaffen, in der Insekten mit ihren Merkmalen katalogisiert und als dreidimensionale Aufnahmen hinterlegt sind. „Dann wäre denkbar, dass man ein Insekt mit dem Handy fotografiert und mit Hilfe einer App über diese Datenbank bestimmt“, schwebt Heethoff vor. „So könnte jeder auch ohne Bestimmungsbuch und Fachliteratur einfach und schnell etwas über Arten erfahren.“ Bernhard Ströbel nickt und ergänzt: „Wir fänden es schön, wenn sich möglichst viele Nachahmer fänden und sich rund um den DISC3D eine Community aus professionellen und privaten Nutzern bildet.“

Potenzial für die Museumspädagogik

Und noch eine spannende Anwendung böten die vom DISC3D erstellten Datensätze, sagt Bernhard Ströbel, nämlich 3D-Prints. „Wir haben testweise einen Käfer im Maßstab 10:1 gedruckt. Das sieht schon beeindruckend aus. Und natürlich lassen sich auch größere Modelle ausdrucken.“ Noch besteht beim 3D-Druck das generelle Problem, dass die Objekte nicht in Echtfarben ausgegeben werden. Doch auch hieran arbeiten bereits Spezialisten. Ströbel kann sich vorstellen, dass der DISC3D in Verbindung mit 3D-Druck in der Museumspädagogik Verwendung finden wird. Modelle von krabbelndem und fliegendem Getier könnten große wie kleine Besucher in den Bann ziehen.

Mit der kürzlich erfolgten Publikation im zoologischen Online-Fachjournal „ZooKeys“ ist der Stein ins Wasser geworfen. Die Väter des Darmstädter Insektenscanners werden gespannt verfolgen, welche Kreise die Entwicklung in Wissenschaft und Öffentlichkeit zieht. Vielleicht wird ja sogar eine kleine Aufmerksamkeitswelle daraus – die am Ende auch den arbeitsamen Insekten zugutekommt.

Autor

Daniel Timme
April 2018

Kontakt

Daniel Timme
Hochschulkommunikation
Tel.: +49.6151.16-37783
E-Mail: daniel.timme@h-da.de

Zahlen, bitte!

Das kleinste bislang vom Darmstädter Insektenscanner vermessene Präparat ist eine nur 1,5 Millimeter messende Fliege. Bisher größtes Objekt war der etwa 27 Millimeter lange Walker, auch als Türkischer Maikäfer bekannt. Die Vermessung eines einzelnen Präparats dauert momentan zwei bis fünf Stunden. Die Forscher von TU Darmstadt und h_da wollen diesen Wert auf eine Stunde drücken. Derzeit werden die rund 25.000 Einzelaufnahmen der Insekten in etwa 400 verschiedenen Posen – Physiker sprechen auch von Raumrichtungen – noch von einer 4-Megapixel-Kamera gemacht. Der nächste Prototyp des Geräts soll über eine Ka­mera mit zwölf Megapixeln verfügen.

Die resultierenden Rohdaten eines einzigen Insekts summieren sich auf rund 500 Gigabyte. Parallel zur Vermessung einsetzende Rechenprozesse reduzieren die finale Dateigröße aber auf rund 600 Megabyte. Die Messunsicherheit für Längen liegt bei circa einem Prozent. Wird also zum Beispiel die Länge eines Beinglieds mit 5 Millimetern bestimmt, ist dieses Maß auf 50 Mikrometer genau. Damit liefert der DISC3D für die biologische Anwendung hinreichend exakte Ergebnisse.

Auf der Webseite des Projektes DIS3D sind weitere Informationen zum Scanner sowie Animationen, Modelle und Bilder verfügbar: www.econetlab.net/disc3d