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Robin Piguet-Ruinet : robin.piguet-ruinet.1@etu.sorbonne-universite.fr Antoine Rei : antoine.rei@etu.sorbonne-universite.fr

Ce projet consiste, dans un premier temps, en la modélisation et l'impression 3D de fossiles d'oursins prêtés par le Muséum National d'Histoire Naturel (MNHN) pour voir s'il est possible d'illustrer la diversité de ce groupe sur un poster en anglais. Il consiste donc en une partie modélisation/impression 3D et une recherche bibliographique sur la phylogénie et les caractères des membres du groupe des Echinoidea. Nous mettrons à jour chaque semaine cette page pour faire état de notre avancement. Le lecteur pourra être amener à cliquer sur certaines images pour une meilleure lisibilité.

Photos des oursins qui seront traités

Semaine 24/01/2022 :

Nous avons récupéré le 22/01 à la collection des invertébrés fossiles du MNHN (gérée par Sylvain Charbonnier) 12 spécimens d'oursins de diverses familles, origines géographiques et temporelles. Un premier essai de modélisation a été effectué sur Amphiope ovalifora à l'aide du logiciel de capture 3D DavidScan3.

-Méthode :

1. Calibrage de la caméra
2. Élimination du fond après avoir scanné à vide
3. Placement du spécimen au centre de la plaque tournante de façon à avoir un maximum de surface de recoupement
4. Choix de la fréquence de scan (nombre de scans sur un tour soit 360°)
5. Prises de vue
6. Obtention d'une maille (sélectionner alignement automatique des scans et bien penser à combiner les scans après chaque série)
7. Retournement du spécimen afin d'exposer ses faces non scannées
8. Deuxième série de prises de vue
9. Alignement des faces
10. Fusion des mailles alignées

Photo de l'installation utilisée

-Problèmes :

1. Texture mal restituée sans fusionner les scans
2. Compréhension du logiciel en cours
3. Les trous dans les spécimens peuvent fausser les scans

Après de nombreux essais nous avons conclu qu'il fallait combiner les prises de vue d'une même série après chaque tour, pour éviter que les différentes parties d'une même prise de vue ne se séparent irréversiblement en sélectionnant l’option d’alignement en 1 ou 2 D. Chaque combinaison ainsi créée (2 minimum pour les deux faces des fossiles avec des zones de recoupement) peut être alignée avec les autres. Une fois les combinaisons bien alignées et elles même combinées la fusion avec texture peut être faite. La qualité de fusion peut faire cracher systématiquement l'ordinateur si trop haute (>2000 résolution et >3 finesse).

Exemple de 2 séries de scans combinées correspondant à 2 faces d'un même objet prêtes à être alignées

Semaine 31/01/2022

Partage des tâches entre poursuite des modélisations 3D et bibliographie. La recherche bibliographique consistera en un premier temps en une prospection de sources nous permettant de retracer l’histoire évolutive du clade des Echinoidea, d’appréhender leur diversité taxinomique et d’obtenir des clés d’identification anatomique pour celle-ci. La poursuite des modélisations a été un succès avec la production de 8 mailles bien alignées dont certaines avec une bonne texture. Deux séries de scans sur deux faces suffisent généralement grâce aux fonctions d’alignement du logiciel DavidScan3. Cependant la texture ainsi que la fusion des scans restent un problème autant pour la capacité de traitement de l’ordinateur que pour le fonctionnement du logiciel. Le fonctionnement optimal de la texture reste à élucider. Il reste encore 4 spécimens à scanner, et à supposer que les problèmes de texture/fusion soient rapidement résolus, l’impression pourra commencer sous peu.

Quelques modèles produits

Semaine 07/02/2022

Poursuite de la recherche bibliographique et modélisation des spécimens récalcitrants avec un succès relatif. Un des spécimens, Amphiope ovalifora, qui est très plat d’un côté et concave de l’autre ne peut pas être scanné de façon satisfaisante car le scan ne parvient pas à restituer sa très petite volumétrie. De façon plus générale les spécimens plats et présentant de fortes aspérités et fluctuations de leur surface sont très difficiles à scanner car pour les premiers il est très difficile d’aligner les faces par manque de surface de recoupement et pour les deuxièmes car les aspérités de surface jettent ombres et lumières sur la surface du spécimen ce qui fausse la texture et l’apparence des spécimens. L’ordinateur mis à notre disposition montre aussi ses limites, l’impossibilité de fusionner à un haut niveau de précision les modèles et les multiples crash et pertes de travail dues à des corruptions de fichier commencent à sérieusement ralentir ce projet. La question de la restitution de la texture reste ouverte à ce stade. Néanmoins tous les spécimens (12) sont maintenant modélisés et la bibliographie progresse convenablement.

Exemple de spécimen dont l'alignement et l'apposition d'une texture acceptable est difficile

Semaine 14/02/2022

Poursuite de la recherche bibliographique et changement de méthode de scan. Après discussion avec L. Labrousse il a été convenu que la résolution des modèles 3D devait avoir au moins la même qualité que les vrais spécimens, ce qui n’était pas le cas jusqu’à présent (la perte de qualité se faisant essentiellement dans la construction et la fusion de la maille). La plaque tournante et la caméra ont donc été sensiblement rapprochées à cet effet. Cela semble effectivement augmenter le détail des mailles obtenues mais apporte son lot de problème, notamment un chevauchement des différents scans entre le début et la fin d'un tour de prises. Ni un changement de vue ni une réduction du nombre de prises par tour n’y ont changé quoique ce soit. Il a enfin été convenu que la faible carte graphique de l’ordinateur handicapait trop le projet et un ordinateur beaucoup plus puissant devrait être sous peu mis à notre disposition pour de meilleures fusions et une utilisation optimale des capacités du scanner.

Nouvelle installation du scanner

Semaine 21/02/2022

(mercredi 23) Un nouvel ordinateur plus puissant a été mit à notre disposition et il n'y a plus de problèmes de fusion quelque soit la qualité. Les problèmes d'alignement de maille semblent avoir été résolu grâce à un meilleur alignement du projecteur et des fossiles sur la plaque tournante. Les résultats obtenus grâce à notre nouvelle installation sont bien meilleurs qu'auparavant en modèle fusionné. Celle-ci reste moins précise que le spécimen réel notamment au niveau des contours de plaques et en finesse plus généralement. Il s'avère possible qu'un rendu équivalent entre le spécimen réel et le modèle 3D ne soit pas atteignable avec nos moyens et qu'il ne soit donc pas possible de rendre compte à très haute résolution des caractères permettant d'illustrer la diversité des oursins au travers de modèles 3D.

Conulus albogalerus en modèle 3D (gauche) et en vrai (droite)

Système apical de Micraster decipiens en modèle 3D (gauche) et en vrai (droite)

(vendredi 25) Poursuite des modélisations selon la nouvelle méthode exposée ci-dessus. Quatre spécimens ont été reconstitués avec une meilleure précision qu'auparavant. Pour les gros spécimens, comme Clypeaster pentadactylus, il s'agit de scanner par exemple 5 faces du fossile avec texture et des aligner avec 10 à 16 faces du même côté sans texture afin d'obtenir une texture finale après fusion de la maille non floutée. La constitution de la bibliographie est terminée, à présent nous sélectionnerons des caractères d'intérêt taxonomiques.

Semaine du 28/02/2022

Poursuite de la modélisation des spécimens selon la nouvelle méthode. Tous les spécimens sauf 2 ont été informatisés. Tentative d'application aux spécimens des caractères sélectionnés. Préparation d'un spécimen, Echinolampas, pour un essai d'impression 3D. Il a été remarqué que malgré la qualité moindre des modèles par rapport aux spécimens réels, ceux-ci étaient tout de même extrêmement lourds à gérer pour les logiciels d'impression 3D ce qui est peut-être un signe que nous ne pouvons pas réalistiquement aller plus loin avec David Scan 3.

Semaine du 07/03/2022

Acception du fait que le matériel à disposition a été poussé à ses limites de résolution, il ne sera plus tenté d'en améliorer encore plus la qualité déjà très bonne. L'aspect technique de ce projet sera désormais tourné vers l'impression 3D débutée avec un essai de 2 spécimens et vers l'exploitation d'outils informatiques permettant de faire de la morphométrie sur nos modèles (pour le moment mesure de distance et de surface). Pour ce faire le logiciel libre Paraview a été téléchargé. Poursuite de la mise au point de clés discriminant les spécimens d'oursins en groupes rendant compte de leur phylogénie.

Semaine du 14/03/2022

Création des fichiers .gcode des modèles à l'aide de l'ordinateur désormais performant de la salle imagerie pour impressions en chaîne de tous les spécimens au moins une fois en taille réelle. Deux modèles avaient été modélisées précédemment avec des résultats que l'on a pu comparer avec les réels. Identification des caractères de tous les spécimens et préparation de la discussion avec L. Villier.

Modèles 3D formatés pour impression 3D

Exemples d'impressions réussies et d'une ratée

Semaine du 21/03/2022

Poursuite des impressions 3D, installation et utilisation de Meshmixer pour mesurer la surface, le volume et des distances d'intérêt sur les modèles. Plesiocidaris 1 est trop lourd pour le logiciel, seules distances seront donc pour ce modèle mesurées sur Paraview. Identification des caractères de tous les oursins terminée, vérification à venir avec Loïc Vilier. Début des mesures sur les spécimens avec pied à coulisse pour comparaison avec les mesures sur modèle.

Exemple de prise de mesures sur des modèles 3D via le logiciel Meshmixer

Exemple de prise de mesures sur des fossiles via un pied à coulisse électronique

Semaine du 28/03/2022

Poursuite et fin des impressions 3D par PLA (Raise Pro2 3D, superposition de couches d'une matière chauffée puis refroidie) avec des résultats mitigés de par les grandes pertes d'information par rapport aux modèles 3D. Après consultation avec L. Villier ont été définies des mesures à effectuer sur les modèles et les fossiles pour savoir s'ils sont équivalents. Idéalement elles devraient être reproductibles, elles seront reproduites plusieurs fois par différentes personnes pour s'en assurer. L'imprimante à résine sera utilisée les 12 et 13 avril pour peut-être obtenir une meilleure finition des impressions par rapport au PLA.

Tableau des mesures prisent sur les modèles (cases blanches) et les fossiles (cases jaunes)

Semaine du 04/04/2022

Poursuite des prises de mesure sur les fossiles par nous-mêmes et les camarades du groupe qui en ont eu le temps et conception d'un croquis de poster pour le rendu final du 23/05/2022. Relecture, enrichissement et correction du wiki.

Semaine du 11/04/2022

Poursuite et fin des prises de mesures sur les spécimens réels par nous-mêmes et nos camarades. L'idéal aurait été d'avoir au moins 10 mesures par spécimens par au moins 5 personnes différentes et pour toutes les productions (réels, modèles 3D, et les deux types d'impressions) mais l'échéance touche à sa fin. Prise de photos des productions obtenues jusque là pour illustrer le poster dont les différentes parties ont été rédigées en anglais et organisées. Il sera utile pour montrer les machines et les modèles 3D mais rien ne dépassera une exposition sur table des impressions 3D qui pourront être lors de la séance de restitution appréhendées par le public. Enfin un nouveau type d'impression 3D a été expérimenté : l'impression avec résine Esun white et anycubic black sur Elegoo saturn. Le principe est qu'un rayonnement ultraviolet (~450nm) va venir de sous le bac d'impression pour durcir une zone précise de la fine couche de résine sous le support qui va monter petit à petit, faisant émerger le modèle à l'envers en quelques heures.

Imprimante 3D Elegoo saturn à résine

Après plusieurs essais le protocole optimal s'est avéré être le suivant : -Disposer les fichiers .stl sur le logiciel Chitubox V1.8.1 puis y mettre des supports et enfin “slicer” le modèle. Bien sauvegarder le fichier .ctb obtenu et écrire le volume prédit pour l'impression. Y AJOUTER 50 % DE SURPLUS.

Exemple de préparation de .stl sur Chitubox avec supports et paramètres

-Verser la résine dans le bac prévu à cet effet posé préalablement sur du papier absorbant en prenant garde à verser au moins 50 % de résine en plus que ce qui est indiqué sur le fichier .ctb. -Monter le bac sur l'imprimante et lancer l'impression avec la clé USB sur laquelle on aura au préalable sauvegardé les .ctb. -Une fois l'impression finie la retirer délicatement du support avec une spatule et la mettre dans un bain d'isopropanol pendant 10 minutes en activant l'hélice et en retournant l'impression au bout de 5. Le but de ce bain est de solubiliser la résine non solide qui serait encore sur la résine dure. Cette partie devra impérativement être faite sous une sorbonne pour ne pas s'intoxiquer.

Exemple d'impression terminée avec support en position et détaché

-Laisser l'impression quelques heures dans une chambre à UV pour achever le durcissement de la résine.

Chambre à UV

-Bien nettoyer le matériel à l'eau chaude et au savon sauf le bac de l'imprimante dont la résine restante devra être retirée au papier absorbant imbibé d'isopropanol.

Semaine du 18/04/2022

Dernières prises de photos pour compléter le prototype de poster et analyse des prémices de résultats statistiques ayant pu être obtenus jusqu'ici.

Résumé des valeurs de moyennes, d'écarts-types et de pourcentages d'erreur obtenus sur nos spécimens

Ces mesures, faites au pied à coulisse électronique sur 9 paramètres (lorsqu'ils étaient accessibles) des 12 oursins par 6 personnes différentes, avaient pour but initial d'être confrontées à un jeu de données similaire obtenu sur les modèles 3D (Paraview, Meshmixer) et les impressions 3D au PLA et à la résine mais le temps ne nous a pas permis de les obtenir. En place de ces tests statistiques très lourds à mettre en place (plusieurs personnes, répétitions…) nous avons pris notre jeu de données et avons pour chaque paramètre calculé une moyenne et un écart-type en millimètre ainsi qu'un pourcentage d'erreur (écart-type/moyenne) donnant un indice sur la reproductibilité des mesures choisies. Il s'agit en fait de savoir si en ne donnant que des indications sommaires à nos professeurs et camarades sur la mesure en question ils sont capables de reproduire à peu près nos résultats. Un pourcentage supérieur à 10 % indique que la mesure n'est pas reproductible et inversement. En observant le tableau ci-dessus on constate que la moyenne globale des pourcentages d'erreur (%E) est inférieure à 10, ce qui témoigne d'une certaine reproductibilité de nos choix de paramètres. En allant dans le détail on constate que nos collègues n'ont pas eu des résultats systématiquement similaires aux nôtres sur certains spécimens, comme Clypeus (9.25%), Echinolampas (13%) ou encore Conulus (7.7%). En plongeant dans les mesures elles-mêmes, on observe que certains paramètres ont posé plus de problèmes comme ceux sur la longueur des pétales (7.9, 6.6, 7.9 %), et les distances bouche-anus, bouche centre et anus-centre (8.5, 12.2, 14.1 %). Une stratégie pour prévenir ces écarts de mesures consisterait en expliquant mieux avec des mots plus explicites ce que l'on demande de mesurer avec éventuellement des schémas.

Conclusion générale

Les parties modélisations et impressions se sont avérées très longues à maîtriser (2 mois de modélisation et 1 mois d'impression). Une série finale de mailles a été obtenue grâce à un rapprochement du scanner et les impressions les plus fines ont été permises par l'imprimante résine, même si des pertes d'informations ont été observées à chaque étape. Malheureusement ces pertes d'informations préviennent toute utilisation scientifique comme pédagogique des productions mais elles restent intéressantes à bien des égards notamment pour servir de vitrine à la collection d'origine des spécimens comme du Fablab. Ce projet appelle bien sûr une suite et de nombreux approfondissements hors de notre portée pour cette UE : -Essayer d'autres outils comme ceux de la photogrammétrie et des logiciels nécessitant plus de formation mais permettant d'aller plus loin dans les mesures -Tester d'autres paramètres d'impression comme différentes résines et éventuellement n'imprimer que certaines parties d'intérêt en gros plan -Planifier un protocole de mesure plus ambitieux pour avoir des échantillons vraiment significatifs -et surtout tester d'autres objets plus volumineux et avec moins de détails microscopiques d'importance comme de gros os de mammifères.

Robin Piguet-Ruinet et Antoine Rei pour l'UE “Fablab” LU3ST062 avec Pierre Théry et loïc Labrousse Remerciements spéciaux à Sylvain Charbonnier et Denis Audo sans qui rien de tous cela n'aurait été possible et à Loïc Villier pour ses précieux conseils. Un grand merci également va aux vacataires de l'espace prototypage du Fablab ainsi qu'à Simon Lanis pour l'imprimante à résine.