3D 打印技術(shù)助力敦煌醫(yī)學(xué)發(fā)掘的應(yīng)用研究＊

馬昌東，石 勇，任 真

（甘肅中醫(yī)藥大學(xué)信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

1 引言

敦煌醫(yī)學(xué)是敦煌學(xué)的一個(gè)重要分支，對(duì)它的研究不僅大大豐富了古絲綢之路的醫(yī)藥學(xué)術(shù)成就，同時(shí)也向人類展示了敦煌藝術(shù)之美、文化內(nèi)蘊(yùn)之豐富以及中國(guó)古代勞動(dòng)人民的聰明才智。但目前敦煌醫(yī)學(xué)文物的發(fā)掘仍缺乏高端技術(shù)的助力與支持，往往使其受困于文物保護(hù)與對(duì)外傳播的矛盾中，3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，將會(huì)有效解決此類問(wèn)題，推動(dòng)敦煌醫(yī)學(xué)文物的發(fā)掘。使用3D 建模技術(shù)，不僅能讓敦煌醫(yī)學(xué)文物快速數(shù)字化展現(xiàn)，有效的保護(hù)文物本身，同時(shí)對(duì)損毀的醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)、壁畫原樣，也能利用3D 技術(shù)仿真其原貌，利用3D 打印技術(shù)打印其實(shí)體，使其跨越歷史長(zhǎng)河重新煥發(fā)勃勃生機(jī)[1]。

2 3D 打印技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

3D 打印技術(shù)，一般性的解釋是：首先使用建模軟件設(shè)計(jì)3D 模型，然后利用計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行逐層疊加，最終通過(guò)3D 打印機(jī)將三維模型變成立體實(shí)物的技術(shù)。自1986 年美國(guó)科學(xué)家Charles Hull 開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D 印刷機(jī)開(kāi)始，3D 打印技術(shù)發(fā)展迅猛。到1995 年，美國(guó)ZCorp 公司從麻省理工學(xué)院獲得授權(quán)并研發(fā)成功了3D 打印機(jī)，再到2019 年4 月15 日，以色列特拉維夫大學(xué)研究人員以病人自身的組織為原材料，3D 打印出全球首顆擁有細(xì)胞、血管、心室和心房的“完整”心臟。目前而言3D 打印技術(shù)已經(jīng)十分成熟，與傳統(tǒng)打印技術(shù)相比，3D 打印技術(shù)有著更高的直觀性和還原度，甚至在便捷性與速度等方面也有巨大的潛力[2-5]。

在我國(guó)，3D 打印技術(shù)主要起源于各大高校的科學(xué)研究。自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，我國(guó)多所學(xué)校開(kāi)展了3D 打印的研究，其中有以FDM 為主的清華大學(xué)，以SLA 為主的西安交通大學(xué)，以SLS 為主的華中科技大學(xué)等多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)。1994 年我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)3D 打印設(shè)備，從2000 年開(kāi)始北京航空航天大學(xué)歷時(shí)5 年成功突破高性能金屬機(jī)構(gòu)件快速成型關(guān)鍵技術(shù)及其成套裝配技術(shù)，使中國(guó)成為第二個(gè)掌握此項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家。此外湖南華曙高科技有限責(zé)任公司已然成為世界唯一一家擁有SLS完整產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)，打破了美國(guó)在3D 打印技術(shù)上的壟斷。3D 打印技術(shù)的不斷推廣已經(jīng)為科學(xué)研究乃至為人民生活帶來(lái)了極大的便利，3D 打印技術(shù)在降低產(chǎn)品制造點(diǎn)復(fù)雜程度、擴(kuò)大生產(chǎn)制造的范圍、即時(shí)生產(chǎn)且能夠滿足客戶個(gè)性化需求、提高原材料的利用率及精確度方面具有重要優(yōu)勢(shì)，因而在機(jī)械制造、文物保護(hù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、醫(yī)療器械、教學(xué)演示等方面均獲得了廣泛應(yīng)用，尤其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方面，3D 打印技術(shù)更是提供了無(wú)限可能，3D 打印技術(shù)能夠大大簡(jiǎn)化工藝流程，快速實(shí)現(xiàn)裝配、實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，有效地縮短了制造周期[6]。

3 3D 打印技術(shù)助力敦煌醫(yī)學(xué)挖掘研究的可行性分析

3.1 政策的導(dǎo)向分析

近年來(lái)中醫(yī)藥事業(yè)迎來(lái)了大發(fā)展，國(guó)家中醫(yī)藥管理局積極支持開(kāi)展敦煌學(xué)中醫(yī)學(xué)經(jīng)卷研究及相關(guān)醫(yī)學(xué)內(nèi)容研究工作，組織專家提供技術(shù)支持，系統(tǒng)發(fā)掘整理敦煌醫(yī)學(xué)。專家認(rèn)為，“科技創(chuàng)新和數(shù)字化建設(shè)是未來(lái)敦煌醫(yī)學(xué)傳承和弘揚(yáng)的重要途徑”。2021 年9 月，習(xí)近平總書記在敦煌研究院座談時(shí)，指出：“推動(dòng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化創(chuàng)造性轉(zhuǎn)化、創(chuàng)新性發(fā)展”“要通過(guò)數(shù)字化、信息化等高技術(shù)手段，推動(dòng)敦煌遺書等文物的數(shù)字化回歸，實(shí)現(xiàn)敦煌文化藝術(shù)資源在全球范圍內(nèi)的數(shù)字化共享。”而3D 打印恰恰是數(shù)字化技術(shù)的延伸，也必然推動(dòng)敦煌醫(yī)學(xué)數(shù)字化的延伸[7-8]。

3.2 需求的可行性分析

敦煌醫(yī)學(xué)及其文化思想要發(fā)展傳播絕非易事，單純的依靠文字性的描述效果甚微，文創(chuàng)產(chǎn)品在傳播文化方面的能力毋庸置疑，就市面上的文創(chuàng)產(chǎn)品而言，生產(chǎn)工藝大都運(yùn)用了3D 打印技術(shù)，運(yùn)用3D打印技術(shù)對(duì)敦煌醫(yī)學(xué)相關(guān)文物進(jìn)行二次創(chuàng)造，打造別出心裁的文創(chuàng)作品，對(duì)敦煌醫(yī)學(xué)的文化傳播也有著巨大的推動(dòng)作用[9]。

4 3D 打印技術(shù)助力敦煌醫(yī)學(xué)研究的思路

4.1 制定設(shè)計(jì)原則和目標(biāo)

設(shè)計(jì)應(yīng)以還原完整性和真實(shí)性為前提；以準(zhǔn)確、逼真為目標(biāo)，堅(jiān)持以方便研究者為出發(fā)點(diǎn)，突出設(shè)計(jì)的可持續(xù)性及發(fā)展性。設(shè)計(jì)原則和目標(biāo)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，確保結(jié)果的正確性。

4.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是建立模型的基礎(chǔ)，常用的采集方法有直接測(cè)量和間接獲取兩種渠道。直接測(cè)量是數(shù)據(jù)收集者借助相關(guān)的測(cè)量?jī)x器直接對(duì)采集對(duì)象進(jìn)行一些特征數(shù)據(jù)的提取，這種測(cè)量方法最為直接，但精確度較低，數(shù)據(jù)收集慢。間接測(cè)量是通過(guò)三維掃描儀掃描采集對(duì)象來(lái)提取數(shù)據(jù)，這種采集方法精度高、效率快，是目前最為常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集方法。

4.3 建立模型（以3Dmax 為例）

在制作3D 模型前，首先建立文檔，包括項(xiàng)目名稱、出處等信息。

（1）基礎(chǔ)模型建立

首先確定平面的布局與功能，結(jié)合數(shù)據(jù)采集階段的數(shù)據(jù)，確定建模對(duì)象的層高等尺寸，將導(dǎo)入的CAD 放入3DMax 網(wǎng)格中心，建立起一個(gè)基礎(chǔ)模型，打出一個(gè)攝像機(jī)角度，觀察模型比例，方便建立整體模型之后調(diào)整攝像機(jī)角度，以達(dá)到最理想的角度。

（2）基礎(chǔ)裝飾模型建立及導(dǎo)入

按照平面圖的規(guī)劃，使用捕獲命令做地面所需的模型，模型導(dǎo)入之后首先成組方面移動(dòng)位置，調(diào)整模型的位置、比例和尺寸。導(dǎo)入模型調(diào)整完畢后，觀察攝像機(jī)角度，調(diào)整達(dá)到最理想角度。

（3）調(diào)整模型材質(zhì)

將單色材質(zhì)球改成Vary 材質(zhì)，設(shè)置參數(shù)，注意個(gè)別材質(zhì)的折射、反射以及凹凸情況，同時(shí)按照材質(zhì)選擇，將一種材料的模型成組，方便修改。

（4）渲染器的設(shè)置

這里可以使用默認(rèn)的渲染器，也可以使用Vray等渲染器，適當(dāng)修改出圖尺寸，在圖像采集器里把類型改為自適應(yīng)DMC,為保證材質(zhì)細(xì)節(jié)更為精細(xì)，可以在發(fā)光貼圖里將當(dāng)前預(yù)制改為高或者非常高。

3D 打印技術(shù)助力敦煌醫(yī)學(xué)研究的思路如圖1所示。

圖1 研究思路

4.4 測(cè)試及打印

標(biāo)準(zhǔn)的3D 打印格式生成之后，將模型文件格式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的STP 格式，建立建模軟件與3D 打印機(jī)之間的協(xié)作通道；設(shè)定模型成型方向與分層參數(shù)；在計(jì)算機(jī)控制下，相應(yīng)的成型頭按各截面輪廓信息做掃描運(yùn)動(dòng)，在工作臺(tái)上一層一層地堆積材料，各層相粘結(jié)，最終得到原型產(chǎn)品。

5 3D 打印技術(shù)助力敦煌醫(yī)學(xué)發(fā)掘的意義

5.1 3D 打印技術(shù)拓寬了敦煌醫(yī)學(xué)的研究方法

科學(xué)研究需要“新鮮的血液”的支撐，它依托技術(shù)而生，依托技術(shù)而發(fā)展、繁榮；敦煌文獻(xiàn)中發(fā)掘的一批醫(yī)藥記載，曾在20 世紀(jì)80 年代促成了敦煌醫(yī)學(xué)學(xué)科的誕生；但如今卻難結(jié)“碩果”，這與研究者手段單一密切相關(guān)。單一的研究手段使得敦煌醫(yī)學(xué)的發(fā)掘局限于原始資料的復(fù)制、部分醫(yī)藥殘卷的還原及對(duì)有關(guān)醫(yī)藥殘卷個(gè)別題目的研究，3D 建模及打印技術(shù)的應(yīng)用無(wú)疑打破了這個(gè)局限，促使敦煌醫(yī)學(xué)的發(fā)掘向數(shù)字化、實(shí)體化的方向發(fā)展[10]。

5.2 3D 打印技術(shù)為敦煌文創(chuàng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供無(wú)限可能

敦煌醫(yī)學(xué)文創(chuàng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)是傳播敦煌醫(yī)學(xué)文化的一種重要形式，也是敦煌醫(yī)學(xué)研究的一個(gè)重要部分。當(dāng)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，往往都會(huì)依據(jù)主題、工藝以及發(fā)展進(jìn)行設(shè)計(jì)，3D 打印技術(shù)的應(yīng)用自然使得產(chǎn)品的造型具有更多的可能性。敦煌醫(yī)學(xué)文創(chuàng)產(chǎn)品能將敦煌醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)中的文化元素融入日常文娛，打破被動(dòng)接受的模式，提高趣味性。比如，設(shè)計(jì)打印“數(shù)字敦煌魔方”打破傳統(tǒng)魔方9 種色彩的視覺(jué)模式，將從敦煌壁畫中提取的小動(dòng)物線稿圖和莫高窟精美壁畫制成魔方的9 面內(nèi)容，讓體驗(yàn)者在拼圖的同時(shí)玩轉(zhuǎn)敦煌壁畫，感受敦煌壁畫的千年智慧。

6 總結(jié)

敦煌醫(yī)學(xué)作為敦煌學(xué)的重要分支，以及傳統(tǒng)中醫(yī)藥的重要組成部分受到了人們的廣泛關(guān)注，其中最引人矚目的便是敦煌醫(yī)學(xué)文物的全面發(fā)掘，對(duì)這些文物的數(shù)字化采集、開(kāi)發(fā)與展示的需求與日俱增。然而，從原本對(duì)卷宗的簡(jiǎn)單抄錄上升到計(jì)算機(jī)數(shù)字化的跨度對(duì)于敦煌醫(yī)學(xué)研究者而言是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，與此同時(shí)研究者對(duì)數(shù)字化技術(shù)認(rèn)知度不高、概念模糊,也阻礙了數(shù)字化展示技術(shù)在該方面的研究與發(fā)展，對(duì)修復(fù)醫(yī)籍設(shè)計(jì)方法的探討也相對(duì)滯后。本研究在闡述敦煌醫(yī)學(xué)研究推廣重要性的基礎(chǔ)上,結(jié)合3D打印數(shù)字化技術(shù),探索3D 打印技術(shù)助力敦煌醫(yī)學(xué)發(fā)掘的研究思路,為進(jìn)一步增強(qiáng)敦煌醫(yī)學(xué)文化傳播的張力,以及敦煌醫(yī)學(xué)文化的數(shù)字化工作提供有益的借鑒。