動物屍體很少能違抗“塵歸塵，土歸土”的規律變成化石——即使變成了化石，它們也無法長期保持堅固。當古生物學家接觸到古代遺骸時，化石已經非常脆弱。因此，幾十年來，研究人員傾向於使用複製品進行細緻的分析。但在過去十年中，3D列印技術實現了一種新的解決方案：列印頭骨和骨骼的副本。
“我的研究領域是高等靈長類動物的進化，”古人類學家埃裡克·德爾森說，他使用數字模型和位於紐約市雷曼學院的 Objet Eden260 印表機來製作靈長類動物骨骼的模型。3D列印技術使他能夠在不損壞原件的情況下製作精確的複製品，並生成更大尺寸的化石版本，甚至重建丟失的骨骼。事實上，3D印表機用作模板的數字模型使得重新創造早已失落的祖先靈長類動物的遺骸成為可能，透過打印出未能形成化石的骨骼的計算重建模型，使傳統的模型製作方法相形見絀。
通常，古生物學家透過用液態橡膠（乳膠或矽膠）覆蓋古代頭骨或碎片來製作模具。然而，如果材料過於緊密地附著在化石表面，或者粘性材料在真空環境外乾燥，這些模具有時會產生不精確的凸起或氣泡。製作模具是一個耗時的過程，因為研究人員和技術人員必須緩慢而小心地工作，以避免損壞脆弱的骨骼。儘管付出了勞動，但即使是一個成功的模具在生產約六到十二個複製品或鑄件後也會很快變得無用；隨著時間的推移，模具的磨損會阻止鑄造出與化石形狀高度吻合的複製品。
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“那些鑄件很好，”德爾森說，“但它們需要同樣專業的人員、裝置和護理，以確保您不會損壞[化石]。”
另一方面，要使用 3D 技術複製化石，您甚至不需要觸控原始頭骨。CT 掃描器或雷射掃描器可以捕捉頭骨表面，而無需用粘性物質覆蓋它。雷射掃描器將光束照射到頭骨上，光束反射回掃描器上的感測器，將表面劃分為大約一百萬個點，掃描器可以將這些點重建為表面。計算機斷層掃描 (CT) 則用 X 射線代替光線，將形狀劃分為橫截面，而無需物理接觸它。
由於 3D 列印涉及使用數字模板，因此該程式可以創造的不僅僅是複製品：它可以放大或縮小其複製的副本。“3D 印表機修改尺寸的能力是它在研究和教學方面的一大優點，”德爾森說。一塊刻有楔形文字的小石碑可能會給想要閱讀它並研究刻字深度的研究人員帶來困難。但是掃描石碑會產生一個可延展的數字版本，它可以擴充套件到原始大小的兩倍，以幫助研究人員更好地理解它是如何製作的。
數字模型也使重建變得更容易。以 20 世紀 70 年代在衣索比亞發現的著名的前智人 hominin 遺骸為例，南方古猿阿法種，暱稱露西：儘管已經挖掘出數十塊露西的骨骼，但大約 60% 的骨骼已經缺失。為了模擬完整的化石，研究人員不得不重建缺失的部分。例如，如果他們出土了右手但沒有左手，則可以掃描右肢，並將生成的數字模板翻轉成映象，這樣就可以打印出左手的塑膠模型。該地區其他南方古猿的遺骸也已成為數字模板：較大個體的椎骨可能尺寸不適合露西的骨架，但可以縮小數字掃描以適合，然後打印出來並安裝到位。數字列印和 3D 模型使研究人員能夠建立比雕刻等傳統方法更精確的複製品。
三維列印技術使得複製已經不存在的南方古猿骨骼成為可能，這些骨骼在數千年前就已經腐爛消失了。但是，對於古生物學家從未發現過的物種的骨骼呢？人類進化的研究依賴於化石記錄，但絕大多數古代頭骨和骨骼都已化為塵土，而不是成為化石流傳後世。數字建模可以將它們——或者至少是它們的複製品——從灰燼中復原。
當然，僅靠數字建模是不夠的：還需要其他工具。也許最重要的工具是使用進化樹，這是一種物種的“家譜”。靈長類動物進化樹可以追溯到大約 6500 萬年前——但研究人員究竟是如何重建它的呢？要理解這棵樹，從簡單的家譜開始會很有幫助。
孩子的 DNA 直接來自他們的父母，並且由於兄弟姐妹共享相同的 DNA 來源，他們的基因非常相似。他們的外祖父母透過他們的母親貢獻了他們的 DNA，並透過他們的姑姑貢獻了他們堂兄弟鮑勃的 DNA。因為他們與鮑勃共享一個共同的 DNA 來源，所以他們的 DNA 也會相似——但不如兄弟姐妹共享的 DNA 那麼相似，因為鮑勃和他的堂兄弟姐妹共同擁有的 DNA 來源比兄弟姐妹共享的 DNA 來源遠一代。一般來說，堂兄弟姐妹與共同祖先之間相隔的世代（或地質，在進化的意義上）時間越多，他們的 DNA 中就會出現更多的差異。其中一個兄弟姐妹和鮑勃的孩子的後代將是二代表兄弟姐妹，與共同 DNA 來源相隔一代，因此他們彼此之間的親緣關係會更疏遠。
研究人員可以在檢視現代靈長類動物的 DNA 序列時使用這些遺傳資訊。例如，人類的 DNA 與黑猩猩的 DNA 比人類與大猩猩的 DNA 更相似。相對而言，如果人類和黑猩猩是堂兄弟姐妹，那麼大猩猩就是我們的二代表兄弟姐妹。應用家譜的見解，這種區別表明人類和黑猩猩共享一個祖父母，而人類、黑猩猩和大猩猩擁有相同的曾祖父母。人類和黑猩猩的最後共同祖先比人類、黑猩猩和大猩猩的最後共同祖先生活得更近。
因此，比較不同靈長類動物的 DNA 可以讓科學家們直觀地瞭解靈長類動物的進化過程。猩猩的 DNA 與人類 DNA 的差異甚至更大，這表明猩猩與人類的最後共同祖先比人類與大猩猩的最後共同祖先生活得更久遠。隨著越來越多物種的 DNA 被比較，一棵樹就出現了。但 DNA 並不是比較物種的唯一方法。
“形態測量學”是對生物體形態的研究，德爾森專注於一個名為幾何形態測量學的子領域來描述他的標本。這種方法記錄頭骨表面上某些“地標”座標，建立一個三維框架，該框架編碼有關頭骨形狀和大小的資訊。透過比較各種物種和標本的 3D 框架，德爾森和他的同事們可以量化它們之間的親緣關係有多近。
當新的靈長類動物化石被發現時，DNA 檢測很少有可能：通常沒有可用於檢測的組織。相反，測年方法（檢查放射性元素（如放射性碳）的衰變）可以揭示標本的生存年代，而這個時間視窗，以及形態測量學（將遺骸的形狀與其他化石和已知物種進行比較），可以幫助研究人員確定其在進化樹上的位置。但是，儘管這些化石符合進化樹的某些節點，但其他節點仍然空白——作為某些分支的直接祖先的靈長類動物已經死亡和腐爛，沒有進入化石記錄。當涉及到重建這些祖先靈長類動物的頭骨時，數字建模就顯得尤為重要。
德爾森的幾何形態測量學可用於推斷和建立進化樹上每個頭骨的 3D 座標系。根據這些形狀，他，或者更確切地說，他的計算機程式，可以反向推斷祖先頭骨的樣子。他使用進化樹來確定較老的頭骨應該與現代靈長類動物的頭骨有多相似：它將更接近親緣關係更近的頭骨的形狀，儘管較遠的後代也可以提供關於頭骨輪廓的資訊。一旦程式確定將使用哪些頭骨來找到最終產品，以及每個貢獻頭骨的重要性，它就可以結合它們的形態測量框架來推斷祖先頭骨的框架——並從框架中推斷出實際頭骨的樣子。最後，德爾森可以將數字重建模型插入 3D 印表機，以生產出不再存在的頭骨的化石複製品。
3D 印表機是如何工作的？請繼續閱讀：“3D 列印技術取得進展：印表機如何製作化石？”