一张兵蚁的 3D 模型，以极高的细节展示了其形态。部分外骨骼已被数字化移除，从而呈现了肌肉、神经系统、消化道和螫刺器官的高分辨率渲染图。（图片来源：Thomas van de Kamp）
十多年来，Evan Economo 的实验室一直依靠显微 CT 扫描仪对昆虫标本进行成像。这些 X 射线扫描使科学家能够检查昆虫的物理结构和形态，这是一个被称为形态学的研究领域。虽然该技术提供了极其详细的 3D 数据，但它既昂贵又缓慢。
马里兰大学昆虫学系主任、James B. Gahan 和 Margaret H. Gahan 教授席位的持有者 Economo 解释说：" 一个限制是，你可以获得这种丰富的 3D 数据集，但扫描一个标本可能需要 10 个小时。"
在 2026 年 3 月 5 日发表在《自然 · 方法》（Nature Methods）杂志上的一项研究中，Economo 及其同事测试了一种旨在显著加快这一过程的新方法。该项目汇集了由 Economo 和德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology, KIT）的 Thomas van de Kamp 领导的研究人员。他们的团队结合了同步加速器粒子加速器、X 射线成像、机器人技术和人工智能（Artificial Intelligence, AI）来生成代表 800 种蚂蚁物种的交互式数字重建。
这些技术共同使科学家能够更快地扫描标本，并将原始成像数据转换为详细的 3D 模型。
该研究的第一作者、冲绳科学技术大学院大学（Okinawa Institute of Science and Technology, OIST）Economo 实验室的毕业生 Julian Katzke 说：" 我们估计，如果用实验室的 CT 扫描仪进行这个项目，将需要连续运行六年。在 KIT 的设置下，我们在一周内扫描了 2000 个标本。"
这项名为 Antscan 的工作可以指导未来许多类型生物的大规模数字化项目。用于构建模型的原始数据可公开下载，集成查看器允许用户在线探索完整的 3D 蚂蚁。
Economo 说：" 这项研究的价值不仅仅在于蚂蚁，它的范围更广。当标本被数字化后，我们可以建立生物体库，从而简化它们从科学实验室到教室再到好莱坞工作室的使用。"Economo 目前除了在马里兰大学任职外，还是 OIST 的兼职教授。
构建蚂蚁生物多样性的数字图书馆
为了组建这个广泛的数字档案，研究团队从世界各地的博物馆、合作机构和专家那里收集了乙醇保存的蚂蚁标本。在按物种和阶级对样品进行整理后，将标本运送到 KIT 进行高通量显微 CT 成像。该方法的工作原理与医学 CT 扫描类似，但放大倍数更高。
在该设施中，同步加速器粒子加速器产生了一个强大的 X 射线束，能够快速扫描许多标本。一个机器人样品更换器在过程中处理昆虫，旋转每个标本，并每 30 秒更换一次下一个标本。这种快速的工作流程产生了 2D 图像堆栈，研究人员随后将其组合以创建完整的 3D 模型。
最初，扫描捕捉到的蚂蚁姿势扭曲或笨拙。这些扭曲的姿势与科学家想要产生的逼真模型相去甚远。为了解决这个问题，马里兰大学计算机科学副教授 James Purtilo 的 CMSC 435：" 软件工程 " 课程的学生开始开发自动化 " 姿势估计 " 的 AI 工具。该技术调整扫描图像，使蚂蚁呈现出类似于它们在野外的自然姿势。
Purtilo 说：" 这次合作对我们来说是一个很好的机会。顶点项目旨在挑战学生整合技能，作为一个有效的团队发挥作用，并展示他们解决实际问题的能力。而这个问题确实很难。"
由此产生的 Antscan 模型以微米级的分辨率揭示了肌肉、神经系统、消化器官和螫刺等内部细节。这些数字蚂蚁还可以进行动画处理或放置到虚拟现实环境中，用于科学研究、教育或娱乐。
Economo 说：" 手动完成这项工作需要数年时间，因此如果没有这些计算工具，基本上永远无法完成。现在，我们正在朝着创建一个与地球生物多样性相对应的交互式模型生活图书馆大步迈进。人工智能将使我们能够探索生命的 diversity 并与世界分享。"
Antscan 数据推动新研究
不断增长的 Antscan 数据库已被证明对科学研究很有用。Economo 还担任了 2025 年 12 月 19 日发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上的一篇论文的资深作者。在该研究中，科学家们使用 Antscan 数据来调查蚂蚁群落是否能从拥有许多较小的工蚁或较少但身体更强壮的个体中获益更多。
该团队检查了 500 多种蚂蚁的角质层体积、群体大小和进化多样化之间的关系。角质层构成了蚂蚁外骨骼的保护性外层。因为生产它需要氮和其他矿物质，所以更厚的盔甲代表了每个蚂蚁个体更大的资源投入。
他们的分析显示，角质层体积和群体大小之间存在很强的负相关关系。换句话说，在厚盔甲上投入较少的群体可能能够支持更多的工蚁，从而有可能使它们生长得更大，并更成功地多样化。
Antscan 使这些测量成为可能，因为 3D 模型使研究人员能够精确计算角质层体积，这在以前很难测量。该项目还扫描了 Economo 于 2025 年 6 月发表在《细胞》（Cell）杂志上的一项研究中检查的相同蚂蚁物种，该研究生成了一组高质量的蚂蚁基因组。这些数据集共同可以帮助科学家更好地理解身体特征和遗传变异之间的联系。
由于扫描非常详细，它们也可能有助于训练机器学习系统，以便在行为研究期间识别野外的蚂蚁。Economo 计划通过扫描更多标本并与马里兰大学的计算机科学学生合作，将这些 AI 技术应用于新的生物数据集，从而继续扩展数据库。
Economo 说：" 这项工作使我们进一步进入了捕获、分析和共享生物体形状和形式的大数据时代。将这些数据与其他数据类型和技术集成在一起的潜力是巨大的，而且非常令人兴奋。"
他们的论文 " 全球蚂蚁生物多样性的高通量表型组学 " 于 2026 年 3 月 5 日发表在《自然 · 方法》杂志上。
（背景延伸：同步加速器是一种大型的粒子加速器，它利用电磁场将带电粒子加速到接近光速，并使其在环形轨道上运动。加速的粒子会产生高强度的电磁辐射，包括 X 射线，这些 X 射线可以用于各种科学研究，如材料科学、生物学和医学成像。 来源：《同步辐射技术原理与应用》）
（背景延伸：形态学是生物学的一个分支，研究生物体的形状、结构、颜色和图案。在昆虫学中，形态学研究对于识别物种、了解其进化关系以及研究其适应性非常重要。 来源：《昆虫形态学》）
（背景延伸：高通量筛选（High-Throughput Screening, HTS）是一种自动化技术，用于快速筛选大量的化合物或生物样品，以寻找具有特定生物活性的物质。在高通量显微 CT 成像中，该技术可以用于快速扫描大量的生物标本，从而加速科学研究的进程。 来源：《药物发现中的高通量筛选》）
本文改编自冲绳科学技术大学院大学提供的文本。
这项研究得到了德国联邦教育及研究部、巴登 - 符腾堡州科学、研究和艺术部、德国研究基金会（资助号 INST 35/1503-1 FUGG 和 502787686）、冲绳科学技术大学院大学、日本学术振兴会（资助号 18K14768、21K06326 和 22KJ3077）、澳大利亚研究委员会（资助号 IC 180100008）、匈牙利研究网络和国家研究、发展和创新基金（资助号 K 147781）、国家科学技术发展委员会（资助号 301495/2019-0）、关键生态系统伙伴基金（法国开发署、保护国际、欧盟、全球环境基金、日本政府和世界银行的联合倡议）、美国国家科学基金会（资助号 DEB-1932467、DEB 1927161 和 IOS-2128304）、意大利大学和研究部、香港环境及自然保育基金（资助号 Nb. ECF 137/2020）以及科学技术基金会的支持。本文不一定反映这些组织的观点。
