Skaner, który w 30 sekund pokazuje to, czego nie widać gołym okiem

Archeologia coraz częściej korzysta z nowoczesnych technologii, które pozwalają badać przeszłość bez konieczności niszczenia cennych warstw ziemi. Najnowszym przykładem jest LEDMSI – niewielki, mobilny skaner opracowany przez naukowców z Uniwersytetu w Aarhus. Urządzenie potrafi w zaledwie 30 sekund dostarczyć informacji o strukturze badanego profilu glebowego, ujawniając ślady niewidoczne dla ludzkiego oka.

Co szczególnie interesujące, konstrukcja systemu jest stosunkowo prosta i tania. Wykorzystuje między innymi Raspberry Pi, kamerę oraz pierścień diod LED emitujących światło o 16 różnych długościach fal. Dzięki temu technologia, która do tej pory wymagała znacznie droższego sprzętu, może w przyszłości trafić do znacznie większej liczby archeologów.

Archeologia bez niepotrzebnego niszczenia stanowiska

Każde wykopalisko archeologiczne jest procesem nieodwracalnym. Kiedy archeolog usuwa kolejną warstwę ziemi, nie może później odtworzyć jej dokładnego układu.

Dlatego coraz większe znaczenie mają metody pozwalające zobaczyć więcej, zanim rozpocznie się dalsze kopanie.

Tradycyjne wykopaliska przypominają trochę rozbieranie wielowarstwowego ciasta. Kolejne warstwy mogą zawierać informacje o ludziach, którzy żyli w danym miejscu setki lub tysiące lat temu. Ich położenie względem siebie jest często równie ważne jak same znalezione przedmioty.

LEDMSI ma pomóc archeologom lepiej zrozumieć taki układ, zanim zdecydują, które fragmenty stanowiska należy zbadać dokładniej.

Jak działa LEDMSI?

Na pierwszy rzut oka urządzenie nie wygląda jak skomplikowany instrument laboratoryjny.

System zamknięto w obudowie wykonanej przy użyciu drukarki 3D. W jego wnętrzu znajduje się między innymi popularny komputer Raspberry Pi 4, siedmiocalowy ekran dotykowy oraz kamera HQ.

Najważniejszym elementem jest jednak specjalny pierścień wyposażony w diody LED.

Emitują one światło w 16 różnych zakresach długości fali – od ultrafioletu, przez światło widzialne, aż po bliską podczerwień. Kamera została pozbawiona fabrycznego filtra, dzięki czemu może rejestrować szerszy zakres promieniowania. Całość może być zasilana akumulatorami stosowanymi w elektronarzędziach.

To właśnie połączenie prostych podzespołów pozwala uzyskać informacje, które normalnie byłyby trudne do zauważenia.

Ziemia wygląda inaczej w różnych długościach fal

Ludzkie oko jest niezwykle skutecznym narzędziem, ale ma ograniczenia.

Różne materiały odbijają i pochłaniają światło w odmienny sposób. Dotyczy to między innymi:

  • gliny,
  • popiołu,
  • gleby,
  • materii organicznej,
  • kości,
  • pozostałości po działalności człowieka.

To oznacza, że warstwa wyglądająca na jednolitą w świetle widzialnym może ujawnić zupełnie inną strukturę po oświetleniu ultrafioletem lub podczerwienią.

LEDMSI wykonuje serię zdjęć tego samego fragmentu profilu, oświetlając go kolejno różnymi długościami fal. Następnie komputer analizuje zgromadzone obrazy i tworzy mapę pokazującą różnice niewidoczne dla człowieka. Cały proces trwa około 30 sekund.

Testy przeprowadzono na Bornholmie

Naukowcy sprawdzili działanie systemu na stanowisku archeologicznym Sorte Muld na duńskiej wyspie Bornholm.

To szczególnie interesujące miejsce, ponieważ znajdują się tam bardzo ciemne osady kulturowe związane z wielowiekową działalnością człowieka w epoce żelaza.

W profilu ziemi występowały cienkie i nieregularne warstwy, których granice były trudne do rozpoznania gołym okiem.

LEDMSI pozwolił dostrzec struktury, które wcześniej pozostawały praktycznie niewidoczne. Analiza wykazała między innymi prawdopodobną dawną powierzchnię gruntu, która może wskazywać na okres przerwy w osadnictwie.

To pokazuje, że niewielkie urządzenie może dostarczyć archeologom informacji o historii stanowiska jeszcze przed wykonaniem kolejnych etapów wykopalisk.

Światło UV ujawnia nawet fragmenty kości

Jedną z najbardziej interesujących funkcji systemu jest możliwość wykorzystania promieniowania ultrafioletowego.

Pod wpływem UV niewielkie fragmenty kości mogą zacząć fluoryzować, czyli emitować światło.

To szczególnie ważne, ponieważ kości mogą być cennym źródłem informacji o dawnych populacjach. Ich stan zachowania może mieć znaczenie między innymi przy wyborze próbek do dalszych badań molekularnych.

Naukowcy wskazują, że intensywność fluorescencji może być związana ze stopniem zachowania kolagenu. Dzięki temu archeolodzy mogą łatwiej zdecydować, które fragmenty warto poddać kosztownym analizom DNA lub białek.

Nie chodzi tylko o znalezienie przedmiotów

Nowa technologia może zmienić sposób, w jaki archeolodzy patrzą na stanowiska.

W archeologii ogromne znaczenie ma bowiem nie tylko odpowiedź na pytanie „co znaleziono?”, lecz również „gdzie dokładnie to znaleziono?”.

Położenie przedmiotu w konkretnej warstwie może powiedzieć bardzo dużo o jego wieku, funkcji i relacji z innymi pozostałościami działalności człowieka.

Jeżeli skaner pozwala szybko rozpoznać granice warstw, miejsca występowania popiołu czy fragmentów kości, archeolog może dokładniej zaplanować dalsze prace.

W efekcie można ograniczyć przypadkowe niszczenie informacji, które znajdują się w strukturze stanowiska.

Technologia około 20 razy tańsza

Jednym z największych atutów LEDMSI jest koszt.

Według twórców system jest około 20 razy tańszy od stosowanych obecnie kamer hiperspektralnych.

To bardzo istotne, ponieważ zaawansowane technologie badawcze często pozostają dostępne przede wszystkim dla dużych instytucji posiadających odpowiedni budżet.

Jeżeli prostszy system zapewni wystarczająco dobre rezultaty, może być wykorzystywany również przez mniejsze zespoły archeologiczne.

Twórcy urządzenia mają nadzieję, że w przyszłości korzystanie z niego będzie na stanowiskach archeologicznych równie naturalne jak używanie aparatu fotograficznego.

Następny krok: sztuczna inteligencja

Naukowcy nie zamierzają poprzestać na obecnej wersji urządzenia.

Jednym z kierunków rozwoju jest zastosowanie uczenia maszynowego.

Algorytmy mogłyby nauczyć się rozpoznawać charakterystyczne sygnatury spektralne poszczególnych materiałów. W praktyce oznaczałoby to możliwość automatycznego wskazywania fragmentów gleby zawierających określone substancje lub pozostałości.

Zamiast analizować każde zdjęcie ręcznie, archeolog mógłby otrzymać gotową mapę z zaznaczonymi potencjalnie interesującymi obszarami.

Docelowo część przetwarzania danych mogłaby odbywać się bezpośrednio na smartfonie lub innym przenośnym urządzeniu.

Małe urządzenie, duża zmiana

LEDMSI pokazuje ciekawy kierunek rozwoju współczesnej archeologii.

Nie zawsze potrzebny jest ogromny i niezwykle drogi instrument. Czasami przełom może przynieść połączenie stosunkowo prostych komponentów, odpowiedniego oprogramowania i pomysłowego wykorzystania właściwości światła.

W tym przypadku naukowcy stworzyli system, który w ciągu kilkudziesięciu sekund potrafi dostarczyć informacji o strukturze profilu glebowego i wskazać elementy niewidoczne podczas zwykłej obserwacji.

Czy to zmieni przyszłość wykopalisk?

Technologia nie zastąpi archeologa. Jej zadaniem jest raczej dostarczenie mu dodatkowych informacji.

Skaner nie mówi samodzielnie, jaka historia kryje się pod ziemią. Może jednak wskazać miejsca wymagające szczególnej uwagi, pomóc rozpoznać warstwy i wybrać próbki do dalszych badań.

Jeżeli kolejne testy potwierdzą skuteczność systemu, tanie skanowanie wielospektralne może stać się jednym z codziennych narzędzi archeologów.

A wtedy przyszłość wykopalisk może wyglądać zupełnie inaczej niż dotychczas. Zanim łopata usunie kolejną warstwę ziemi, archeolog będzie mógł najpierw spojrzeć na stanowisko w wielu zakresach światła i sprawdzić, co naprawdę znajduje się przed nim.

To niewielka zmiana technologiczna, która może mieć ogromne znaczenie dla ochrony i poznawania naszego dziedzictwa archeologicznego.