用声音悬浮昆虫：或将变革科学摄影
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用声音悬浮昆虫：或将变革科学摄影
Mar 25, 2025 Jeremy Gray
‘Photogrammetric imaging system using acoustic levitation. The levitator consists of two half spheres with US transducers and is controlled by an FPGA. For the image acquisition, a macro camera standing on a tripod is used.’ | Credit: ‘Automated Photogrammetric Close-Range Imaging System for Small Invertebrates Using Acoustic Levitation’ by Nathalie Klug, Markus Kramer, Fahri Mazrek, Lorenz Wührl, Hossein Shirali, Rudolf Meier, and Christian Pylatiuk
科学家们使用精确控制的声波悬浮昆虫标本，从而能够从多个角度拍摄详细的照片，且不会损坏标本。
小型标本的微距摄影是科学研究的常规环节。然而，使用针“摆姿势”的传统方法可能会损坏敏感的标本，对于最小的标本来说，根本无法操作。
来自 Institute for Automation and Applied Infomatics, Karlsruhe Institute of Technology; the Center for Integrative Biodiversity Discovery, Leibniz Institute for Evolution and Biodiversity Science; 和 the Institute for Biology, Humboldt University Berlin 的研究人员利用声波克服了这些限制。
正如 Hackaday 所指出的，声悬浮本身并不新鲜。 这种使用高强度声波将轻量物质悬浮在空气中的方法自 20 世纪初就已存在，并且一直吸引着科学家。 然而，声悬浮在科学摄影等方面的实际应用是新颖而令人着迷的。
德国研究人员展示了声悬浮如何适用于昆虫标本，并演示了一种自动化的、可控的方式来操纵标本，以在预定义的角度拍摄特定的图像。 此外，他们可以对标本执行自动化的 focus stacking（由于标本保持足够稳定），并拍摄具有扩展景深的高度详细的照片。 也有可能将此扩展数据集转换为标本的高度详细的 3D 模型，无需手动重新定位、手动图像捕获或任何损坏标本的风险。
The team used an Olympus OM-D E-M1 III camera, a 90mm f/3.5 macro lens, and a 2x teleconverter
昆虫是生物多样性研究中特别重要的研究对象。 正如研究人员解释的那样，昆虫贡献了“超过 75% 的物种水平生物多样性”，并且对生态系统功能至关重要。 然而，“研究昆虫的主要障碍”是它们不容易识别或研究。 机器学习使识别的挑战大大降低，但是训练这些 AI 模型需要大量数据。 收集有关单个标本的这些详细数据需要拍摄许多照片，如上所述，这很困难。 用于收集必要照片的经济高效、可访问且可重复的成像系统至关重要。
虽然声悬浮科学引人入胜，并且在完整的研究论文中进行了详细说明，但现在足以说明可以足够一致和精确地控制标本的位置，从而为每个标本位置捕获一系列 40 张照片。 虽然该团队承认，在 focus stacking 之后，它不需要全部 40 张照片即可达到所需的景深，但是拥有太多的图像总比不够好。 他们通过在保持固定相机的情况下移动标本，对 72 个不同的视角重复了此过程。 使用 Helicon Focus 软件执行 Focus stacking，这是许多微距摄影师的热门选择。
说到装备，研究人员使用了 Olympus OM-D E-M1 Mark III camera，搭配 M.Zuiko Digital ED 90mm f/3.5 Macro lens 和一个 2x 增距镜。 像 Helicon Focus 一样，此相机和镜头设置在微距摄影爱好者中很受欢迎。
‘Images with 90° rotation taken with the proposed imaging system.’
研究人员写道：“与其他用于生物多样性研究的摄影测量成像系统不同，该对象不是使用昆虫针或其他物理附件进行操作的。” “这确保了标本不会受到物理损坏，并且由于与以前的系统相比，成像速度足够快，因此标本不会干燥到在将它们返回小瓶后漂浮在乙醇上的程度。 这意味着可以促进对 NDA（基因组测序）的进一步研究。 此外，标本的所有部分都可以查看，因为没有针会挡住标本的视线。 它还确保可以对太小而无法固定的昆虫进行成像，并避免了费时费力的人工固定过程。”
虽然该团队承认存在局限性，包括声场旋转目前仅限于单轴，并且尚未实现完美的 3D 模型，但该方法具有巨大的潜力。
研究人员总结说：“所提出的自动化成像系统为小型轻物体的近距离摄影测量提供了一种有希望的解决方案。 它是多角度成像的非破坏性方法，并为 3D 重建提供了基础。”
_Image credits: ‘Automated Photogrammetric Close-Range Imaging System for Small Invertebrates Using Acoustic Levitation‘ by Nathalie Klug, Markus Kramer, Fahri Mazrek, Lorenz Wührl, Hossein Shirali, Rudolf Meier, and Christian Pylaiuk _