Virtual Dinosaurs - Developing Computer Aided Design and Computer Aided Engineering Modeling Methods for Vertebrate Paleontology

Abstract

The use of personal computers offers many benefits to researchers compared to conventional methods, not the least of them the easy visualization of three-dimensional (3D) structures. With rapidly increasing computing power, the last few decades have seen the rise of a large number of new applications for many purposes, some of which have been successfully employed for vertebrate paleontology. Here, a description is given on how to use several commercially available computer aided design (CAD) and kinetic/dynamic Computer Aided Engineering (CAE) modeling software programs as tools for paleontological research. The focus rests on the creation and use of 'virtual' bones, for biomechanical analyses and use in reconstruction of entire skeletons, the use of these 'virtual' skeletons as tools for the creation of 3D 'flesh' models, which are helpful in mass estimates, and finally on multi-body kinetic/dynamic modeling, using these 'flesh' models to analyze posture and gait of extinct dinosaurs.

Specifically, the following techniques are described, most of which have been newly developed or significantly improved: - Mechanical digitizing of fossil bones using Rhinoceros 3.0® and NURBS curves - Mechanical digitizing of fossil bones using Rhinoceros 3.0® and point clouds - Mounting 'virtual' skeletons from either mechanically digitized bones or CT-based data - Creating 3D 'flesh' models from 'virtual' skeletons - Creating 3D 'flesh' models from laser scan point cloud data of mounted skeletons - Creating 3D 'flesh' models from silhouette drawings of skeletons - Evaluating the accuracy of 2D and 3D reconstructions using 'virtual' skeletons - Modeling posture, motions and locomotion of vertebrates in MSC.visualNastran 4D®.

CAD and kinetic/dynamic modeling using 3D CAE (Computer Aided Engineering) computer software prove to be useful tools for vertebrate paleontology, the latter being especially useful for biomechanical analysis.

These techniques were employed to study the prosauropod Plateosaurus engelhardti MEYER from the Löwenstein formation of South-West Germany. Aside from providing a new insight on mass estimates, it is shown that: - Plateosaurus was not capable of pronating its manus sufficiently to use them in a support role during locomotion, nor can the animal have employed them in knuckle-walking with medially directed palms - Plateosaurus was not well-balanced in a quadrupedal stance - Plateosaurus was thus not capable of quadrupedal locomotion - in addition, quadrupedal locomotion would be ineffective in Plateosaurus - Plateosaurus was well-balanced when standing in a bipedal posture with a sub-horizontal backbone and tail - Plateosaurus can execute all necessary motions, such as lying down and getting up from the ground from and into a bipedal stance, and can move the head to the ground without risking the stability of a bipedal stance.

A locomotion cycle for Plateosaurus was created in the kinetic/dynamic CAE software, showing bipedal locomotion to be feasible.

Furthermore, it becomes apparent that - there is a large amount of variation in the pes morphology of Plateosaurus engelhardti, requiring further study. Possibly, two or more species have been included in the taxon. - Plateosaurus would likely have produced Otozoum-like tracks when walking bipedally, and Plateosaurus' manus fits the manus imprints of Otozoum, made in a rare resting pose. The Otozoum-trackmaker was a biped. - bipedal Pseudotetrasauropus tracks do not stem from animals with the pes morphology of the skeleton GPIT 1, but may have been produced by closely related animals.

From these results it can be concluded that Plateosaurus was an obligate biped, and far closer to the basal mode of locomotion in sauropodomorphs than previously expected. It can be confidently refuted that plateosaurid dinosaurs created ichnofossils similar to Tetrasauropus.

Die Nutzung von PCs bietet Forschern viele Vorteile im Vergleich zu konventionellen Methoden, insbesondere die einfache Darstellung dreidimensionaler Strukturen. Mit der rasch wachsenden Rechenkapazität entstand in den letzten Jahrzehnten eine große Zahl von Anwendungen für eine Vielzahl von Bereichen, von denen einige erfolgreich in der Wirbeltierpaläontologie angewendet wurden. In dieser Arbeit wird beschrieben, wie verschiedene kommerziell erhältliche Computer Aided Design (CAD) und Computer Aided Engineering (CAE) Programme für kinetisch-dynamische Simulation in der paläontologischen Forschung verwendet werden können. Im Zentrum stehen die Erstellung und Nutzung von 'virtuellen' Knochen für biomechanische Analysen und zur Rekonstruktion ganzer Skelette, dann die Nutzung dieser ‚virtuellen’ Skelette als Handwerkszeug für die Erstellung von 3D Lebendmodellen, die zur Massenbestimmung nützlich sind, und schließlich die kinetischdynamische Vielkörper-Modellierung, in der die Lebendmodelle genutzt werden, um Körperhaltung und Gangarten von ausgestorbenen Dinosauriern zu untersuchen.

Die folgenden Methoden, von denen die meisten neu entwickelt oder stark verbessert wurden, werden beschrieben: - Mechanisches Digitalisieren von fossilen Knochen in Rhinoceros 3.0® mittels NURBS (nicht-lienare rationale B-splines) Kurven - Mechanisches Digitalisieren von fossilen Knochen in Rhinoceros 3.0® mittels Punktwolken - Montage von 'virtuellen' Skeletten, sowohl aus mechanische digitalisierten Knochen als auch aus Daten aus der Computertomographie - Erstellen von virtuellen 3D Lebendmodellen auf der Basis von 'virtuellen' Skeletten - Erstellen von virtuellen 3D Lebendmodellen auf der Basis von Punktwolken-Laserscans montierter Skelette - Erstellen von virtuellen 3D Lebendmodellen auf der Basis von Umrisszeichnungen von Skeletten - Evaluierung der Genauigkeit von 2D und 3D Rekonstruktion mittels virtueller Skelette - Modellierung von Körperhaltung, Bewegungen und Fortbewegung in MSC.visualNastran 4D®.

CAD und kinetisch-dynamische Modellierung mittels eines 3D CAE Programms stellen sich als nützliche Instrumente für die Wirbeltierpaläontologie heraus, wobei die Modellierung besonders für biomechanische Analysen hilfreich ist. Diese Methoden wurden auf den Prosauropoden Plateosaurus engelhardti MEYER aus der Löwenstein-Formation Südwestdeutschlands angewandt. Neben neuen Erkenntnissen über Massenschätzungen wird gezeigt dass: - Plateosaurus seine Hände nicht in einem Maße pronieren konnte, um sie während der Fortbewegung stützend einsetzen zu können, noch in der Lage war, sie mit einwärts zeigender Handfläche im Knöchelgang zu nutzen - Plateosaurus in vierfüßiger Haltung nicht gut ausbalanciert war - Plateosaurus daher nicht in der Lage war, sich vierbeinig fortzubewegen - quadrupede Fortbewegung bei Plateosaurus außerdem ineffektiv wäre - Plateosaurus in zweibeiniger Haltung mit annähernd horizontaler Wirbelsäule gut balanciert stand - Plateosaurus alle notwendigen Bewegungen wie Hinlegen und Aufstehen vom Boden aus und in eine bipede Haltung durchführen kann, und seinen Kopf auf Bodenniveau führen kann, ohne die Stabilität einer bipeden Haltung zu gefährden. Im kinetisch-dynamischen CAE Programm wurde ein Gehzyklus für Plateosaurus erstellt, der zeigt, dass Plateosaurus zur bipeden Lokomotion fähig ist.

Außerdem zeigt sich, dass - die Morphologie des Fußes von Plateosaurus eine große Varianz zeigt, die weitere Untersuchung erfordert. Möglicherweise sind zwei oder mehr Arten in dem Taxon zusammengefasst. - Plateosaurus im bipeden Gang vermutlich Spuren hinterließ, die Otozoum ähneln und dass die Hand von Plateosaurus mit den Handabdrücken von Otozoum übereinstimmen, die der Verursacher nur selten beim Ruhen hinterließ. Der Verursacher der Otozoum-Spur war biped. - bipede Spuren der Gattung Pseudotetrasauropus nicht von Tieren stammen, deren Fuß die gleiche Morphologie zeigt, wie das Skelett GPIT 1, möglicherweise aber von eng verwandten Tieren.

Aus diesen Resultaten lässt sich schließen, dass Plateosaurus obligat biped lief, und der basalen Fortbewegungsart der Sauropodomorpha weit näher blieb als bisher angenommen. Es kann außerdem mit hoher Sicherheit ausgeschlossen werden, dass Plateosaurus Spuren ähnlich dem Ichnotaxon Tetrasauropus hinterließ.