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      保存歲月的痕跡,3D打印修復文物古跡

      發布日期:2022-03-18瀏覽次數:78標簽:

      3D打印技術在保護文物方面有著非常重要的意義,能夠將文物轉換成信息進行保存,提供額外的保險。萬一文化遭到破壞,可以通過3D打印技術進行修復或重建還原,有效避免了人類的歷史記憶被抹殺。

      3D打印修復文物古跡 科技與野蠻的較量


      1、用于文物古跡修復

      一直以來,文物古跡的保護始終困擾著考古界,文物作為一種不可再生資源,一旦被毀掉,將再也不復存在,比如,西安秦始皇兵馬俑,剛剛出土的時候色澤亮麗,表情栩栩如生,如今早已失去剛剛出土時的風采,風化嚴重,鮮艷的色澤消失了,暗淡如同黃泥。
      據說這是兵馬俑剛挖出來的樣子
      多年后,看到的兵馬俑變成了這樣

      西漢?;韬畲竽钩鐾恋奈奈镎鋵?/span>


      考古學家在搶救被破壞的古墓時,常常會遇到各種難題,當年,在對馬王堆漢墓進行考古發掘時,起初放在祭祀器里的藕片等食材,保有原先的樣子,可不久后便碳化了。還有西漢?;韬钅?,不知道里面的小米、香瓜子是不是有著同樣的遭遇。

      位于馬鞍山博物館的朱然墓
      馬鞍山朱然墓中的棺槨

      相比這些陪葬品,棺墓主人遺體的瞬間消失更為考古界惋惜。早在80年代,安徽馬鞍山發現了三國吳大司馬馬朱然家族的墓葬群,由于當時科學技術水平有限,墓葬早前又慘遭盜掘。朱然的遺體未能及時保存下來,瞬間“灰飛煙滅”融在了墓土里。其當時作為國內十大考古發現之一,卻留下了千古遺憾!

      2、令古文物起死回生
      轉眼21世紀的今天,科技發展速度令人震驚,現在的考古水平遠遠高于以往,文物古跡的保護力度相比以前有很大提高。倘若3D打印技術就能夠“復刻”文物,一定可以彌補不少遺憾。

      隨著3D打印技術應用范圍的不斷擴展,眾多博物館和文物修復工作者開始利用3D打印與3D掃描技術,使破敗不堪的古文物“起死回生”,不僅修復了文物,也讓古代文化得以傳承。
      西漢匈奴鹿形金怪獸

      幾年前,陜西博物館利用3D打印技術,制作出國寶級文物——鹿形金怪獸的仿品。鹿形金怪獸的形象非常奇特,為一只長著多分枝卷角的鹿形,但有鷹喙形嘴,每一個分枝卷角的頂端和尾端也生出一個同樣的獸頭,狀如傳說中的九頭鳥,它是匈奴人冠冕上的裝飾,反映了匈奴人對勇猛強悍動物的崇拜。這件金怪獸造型奇特,綜合運用了多種工藝,制作精湛,全面反映了匈奴金銀器制作技術的高超水平,被譽為是最有代表性的匈奴藝術珍品。為了更好地保存原件,陜西博物館選擇了利用3D打印技術來制作制仿制品。
      3D打印助力濟南四門塔千年文物大修,圖為龍虎塔搭起了腳手架

      千佛崖也同步進行大修前的信息采集工作

      2015年年初,千年文物四門塔大修的時候,用上3D打印技術,技術人員全方位采集古建以及雕塑的細節信息,制作出一個逼真程度高的虛擬3D模型,通過電腦展示文物的全貌。按照文物信息采集技術標準,展示出虛擬3D模型,為文物修復保護提供了參考。

      傳統工藝在修復文物時直接在表面上操作,容易造成對文物的二次損傷。而3D打印技術,可以在不接觸文物的前提下,通過立體掃描、數據采集、繪畫模型打印等一系列步驟,對文物進行修補甚至復刻。

      3D打印復刻漢代三足陶鼎,左為真品,右為復刻

      什么叫做復刻呢?舉個例子,拿漢代三足陶鼎來說,其元件為短直口、斜肩、鼓腹凸起弦文、雙耳、獸足,器物內側與底部有經燒結形成的火石紅,表面有“暴汗”現象(指在不掛釉的陶器上,經過入窯焙燒后,器表面出現一種極薄的亮層)。該器物的“暴汗”處斷面極薄、形狀自然且均勻。


      同樣,使用3D打印技術將復制品打印成型,用傳統作色工藝對其上色、做舊。將仿釉顏料與稀釋劑調和,先用噴筆將器物基地色整體噴一層,使其整體色相與原器物相接近,再用與原物件色彩風格一致的礦物質顏料,對局部上色、做舊,仿制出原件“暴汗”處的光澤度。

      3D打印可否用于整個宮殿的修復?

      3D打印技術憑借其獨有的快速成型技術,不再局限于制造現代所需,而在文物保護方面日趨發揮重要作用。目前,3D打印文物技術,不再僅僅局限于小型“青銅鼎”之類的物件或者大型古跡的補色修復,而是能夠真正打印出如宮殿般的巨大文物遺跡,讓現代文明留住歷史。

      3、一種有尊嚴的技術
      比如,古代的巴比倫空中花園,可以說是古建筑文明中一道奪目的風景線,但是,古文明時期的民族戰亂,再加上現代中東動蕩,讓這座美麗的城市丟棄了很多珍貴的文物。面對殘垣斷壁,以前的考古學家只有扼腕嘆息的份兒了。
      ISIS成員正在糟蹋文物

      而隨著3D打印和3D掃描技術的應用,為人類的文物修復帶來了新的可能。利用三維掃描采集文物古跡的點集,輸入計算機進行過濾和建模,最終應用于文物的保護和修復,使得人類文明在經歷暴行摧殘之后依舊可以屹立于世。因此,3D打印在保護古代文明方面被稱為一種“有尊嚴”的技術。下面,我們就以被極端組織伊斯蘭國(ISIS)摧毀的歷史古跡為例,來了解一下3D打印的神奇之處。
      貝爾神廟

      這是一座位于敘利亞城巴爾米拉的古羅馬神廟,約建于公元32年,用于供奉巴爾米拉人的貝爾神。
      巴爾米拉廢墟鳥瞰
      貝爾神廟內部

      從遠古時代的自然神崇拜到古羅馬帝國的基督教文明,貝爾神廟一直矗立在巴爾米拉城,縱使文明幾經更迭,神廟卻一直被完好無損地保存了下來。曾被認為是巴爾米拉廢墟上最具代表性、保存最完好的神廟遺跡,還被聯合國教科文組織列入世界遺產。
      ISIS正在摧毀貝爾神廟
      被ISIS摧毀后的貝爾神廟,只剩下一個拱門依舊挺立

      然而,就在2015年8月23日,這座經歷了2000年歷史的神廟被極端恐怖組織ISIS無情地摧毀了。歷經千年風霜的神廟如今只余下一個拱門,孤零零地佇立在巴爾米拉的廢墟之上。
      貝爾神廟電腦復原圖

      不過,人間自有正義在 — 來自哈佛、牛津大學以及迪拜未來博物館的研究人員組建了數字考古研究所(IDA),計劃用數字成像和3D打印技術來復原被ISIS摧毀的古建筑。


      IDA與聯合國教科文組織合作并支持考古研究所的工作,為此他們還為研究者們提供了5000臺專業的測量照相機,以用于捕捉中東和北非的歷史遺跡圖像,對各種歷史遺跡進行3D掃描。


      貝爾神廟的部分部件采用了位于上海的一臺大型3D打印機進行打印。部件打印完成后會被運到意大利進行后期處理,然后運往英國的特拉法爾加廣場進行展示。與此同時IDA方面表示,希望有朝一日通過3D打印技術復原整個貝爾神廟。
      特拉法爾加廣場上拱門電腦復原圖


      4、修復千手觀音
      還記得成龍電影《十二生肖》嗎?成龍扮演的文物小偷就是用3D手套掃描儀全面掃描狗頭獸首之后,遠程網絡另一端的隊友收到他傳送來的數據,便迅速地復制出一模一樣的狗頭獸首。其實,3D打印文物復制品,并不是電影虛構的橋段。3D打印技術在考古、文物的復制、修復等領域大有實際用途。
      電影《十二生肖》3D掃描獸首

      3D打印技術在原理上并不復雜,就是一個獲取數據,再打印實物的過程。3D打印,學名增材制造,也稱快速成型技術,此技術誕生于20世紀80年代后期,它是基于材料累加原理快速成型操作過程,將計算機中的三維模型通過物品分層添加材料來創造出實物的一種疊層制造技術。

      在修復器物殘缺部位時,傳統的工藝是用打樣膏或硅橡膠對文物器物直接取樣、翻模,然后對殘缺處進行修復。但是在某些特殊的案例中,例如修復質地疏松的陶器時,傳統的翻模方法便不適合直接在其表面進行操作了。


      重慶市大足石刻景區千手觀音主尊修復工程引入3D打印技術
      3D打印出來的1:3比例千手觀音模型

      3D打印技術修復文物,可以做到在不直接接觸文物器物的前提下,通過高科技技術手段,如三維立體掃描、數據采集、建模、打印等,將復制件及殘缺部分打印、復制成型。此類翻模方式不僅節省材料,提高材料利用率,可快速精準成型,更重要的是大大避免了翻模時直接接觸文物而對文物本體造成的二次傷害。那么,利用3D打印技術修復文物,具體如何操作呢?

      5、如何用于文物修復?
      首先需要有3D立體模型圖,然后配套的軟件會把這張圖上的物體數據模型進行一系列數字切片,這些切片信息傳送到打印機,打印噴頭根據切片信息,一層層極薄地堆疊出立體物件。
      3D掃描文物原型

      打印之前需要對文物進行3D建模
      3D立體模型圖


      以陶器復制為例,需要復制一件文物通常需要三個步驟:
      (1)3D掃描文物,獲取準確高精度的三維數據。
      (2)三維軟件的建模,也就是三維數據的高效處理。

      (3)3D打印成型,也就是三維數據的輸出。


      3D打印的陶器


      傳統的文物復制一般直接在文物上翻模,對于不適于翻模的文物(如表面有彩繪、陶質文物)則采用粘土塑形復制。這樣的復制方法會造成兩種不利影響,首先是翻模材料殘留在文物表面,對文物造成污染;其次塑形與文物不能達到百分之百的一致。而結合三維掃描技術的3D打印可以很好的解決這些問題。
      利用3D打印技術修復的被ISIS破壞的伊拉克文物

      3D打印技術的優勢在于,它可以無限制地復制,首先使用三維掃描技術獲得復制文物的三維模型,再使用3D打印獲得復制品,再在復制品的基礎上翻模復制,實現批量化制作。因為,依據三維掃描獲得的文物三維數字模型,使用數控加工手段,可以復制出文物的真實形貌或制作文物衍生品,用于代替文物真品進行實物展示,使人們能夠欣賞文物造型的同時,減少和避免對文物真品的損傷。
      圖為美國博物館史密森學會用3D打印來復制文物

      3D打印技術還有一項十分明顯的優勢,它可以根據需要調整打印品的比例,可以輕易地獲得文物二分之一、三分之一……的比例,這在傳統復制上是很難甚至根本無法做到的。


      美國雕塑家用3D打印技術制作的木乃伊冰人奧茨復制品

      為防止珍貴文物失竊,歐洲教堂使用3D打印技術制造復制品


      3D打印相對與傳統復制,其與文物是非接觸式的,可最大程度降低對文物的再次損害。此外,3D打印的模型一旦獲得是獨立于文物之外的,可以像我們復印文件一樣,獲得完全相同的打印品,甚至可以獲得細微紋飾的形貌。


      雖然復原的文物、古建筑并不能完全替代被摧毀的文物、古建筑,但不可否認的是,3D打印復原技術將成為考古、文物鑒賞等領域不可缺少的重要技術支撐。隨著3D打印技術的成熟,結合利用計算機技術實現文物及考古現場的數字模型的建立和信息化存儲,進而對數字模型進行管理和應用,我們預測,3D打印技術在文物修復領域將具有更加廣闊的研究和應用前景。
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