3D 打印技術助力敦煌醫學發掘的應用研究＊

馬昌東，石 勇，任 真

（甘肅中醫藥大學信息工程學院，甘肅 蘭州 730030）

1 引言

敦煌醫學是敦煌學的一個重要分支，對它的研究不僅大大豐富了古絲綢之路的醫藥學術成就，同時也向人類展示了敦煌藝術之美、文化內蘊之豐富以及中國古代勞動人民的聰明才智。但目前敦煌醫學文物的發掘仍缺乏高端技術的助力與支持，往往使其受困于文物保護與對外傳播的矛盾中，3D 打印技術的出現，將會有效解決此類問題，推動敦煌醫學文物的發掘。使用3D 建模技術，不僅能讓敦煌醫學文物快速數字化展現，有效的保護文物本身，同時對損毀的醫學文獻、壁畫原樣，也能利用3D 技術仿真其原貌，利用3D 打印技術打印其實體，使其跨越歷史長河重新煥發勃勃生機[1]。

2 3D 打印技術的發展及應用

3D 打印技術，一般性的解釋是：首先使用建模軟件設計3D 模型，然后利用計算機控制進行逐層疊加，最終通過3D 打印機將三維模型變成立體實物的技術。自1986 年美國科學家Charles Hull 開發了第一臺商業3D 印刷機開始，3D 打印技術發展迅猛。到1995 年，美國ZCorp 公司從麻省理工學院獲得授權并研發成功了3D 打印機，再到2019 年4 月15 日，以色列特拉維夫大學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胞、血管、心室和心房的“完整”心臟。目前而言3D 打印技術已經十分成熟，與傳統打印技術相比，3D 打印技術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，3D 打印技術主要起源于各大高校的科學研究。自20 世紀90 年代以來，我國多所學校開展了3D 打印的研究，其中有以FDM 為主的清華大學，以SLA 為主的西安交通大學，以SLS 為主的華中科技大學等多個研究團隊。1994 年我國科研團隊成功開發出第一臺3D 打印設備，從2000 年開始北京航空航天大學歷時5 年成功突破高性能金屬機構件快速成型關鍵技術及其成套裝配技術，使中國成為第二個掌握此項技術的國家。此外湖南華曙高科技有限責任公司已然成為世界唯一一家擁有SLS完整產業鏈的企業，打破了美國在3D 打印技術上的壟斷。3D 打印技術的不斷推廣已經為科學研究乃至為人民生活帶來了極大的便利，3D 打印技術在降低產品制造點復雜程度、擴大生產制造的范圍、即時生產且能夠滿足客戶個性化需求、提高原材料的利用率及精確度方面具有重要優勢，因而在機械制造、文物保護、產品設計、醫療器械、教學演示等方面均獲得了廣泛應用，尤其在產品設計開發方面，3D 打印技術更是提供了無限可能，3D 打印技術能夠大大簡化工藝流程，快速實現裝配、實驗、驗證等環節，有效地縮短了制造周期[6]。

3 3D 打印技術助力敦煌醫學挖掘研究的可行性分析

3.1 政策的導向分析

近年來中醫藥事業迎來了大發展，國家中醫藥管理局積極支持開展敦煌學中醫學經卷研究及相關醫學內容研究工作，組織專家提供技術支持，系統發掘整理敦煌醫學。專家認為，“科技創新和數字化建設是未來敦煌醫學傳承和弘揚的重要途徑”。2021 年9 月，習近平總書記在敦煌研究院座談時，指出：“推動中華優秀傳統文化創造性轉化、創新性發展”“要通過數字化、信息化等高技術手段，推動敦煌遺書等文物的數字化回歸，實現敦煌文化藝術資源在全球范圍內的數字化共享?！倍?D 打印恰恰是數字化技術的延伸，也必然推動敦煌醫學數字化的延伸[7-8]。

3.2 需求的可行性分析

敦煌醫學及其文化思想要發展傳播絕非易事，單純的依靠文字性的描述效果甚微，文創產品在傳播文化方面的能力毋庸置疑，就市面上的文創產品而言，生產工藝大都運用了3D 打印技術，運用3D打印技術對敦煌醫學相關文物進行二次創造，打造別出心裁的文創作品，對敦煌醫學的文化傳播也有著巨大的推動作用[9]。

4 3D 打印技術助力敦煌醫學研究的思路

4.1 制定設計原則和目標

設計應以還原完整性和真實性為前提；以準確、逼真為目標，堅持以方便研究者為出發點，突出設計的可持續性及發展性。設計原則和目標貫穿整個設計過程，確保結果的正確性。

4.2 數據采集

數據采集是建立模型的基礎，常用的采集方法有直接測量和間接獲取兩種渠道。直接測量是數據收集者借助相關的測量儀器直接對采集對象進行一些特征數據的提取，這種測量方法最為直接，但精確度較低，數據收集慢。間接測量是通過三維掃描儀掃描采集對象來提取數據，這種采集方法精度高、效率快，是目前最為常見的數據采集方法。

4.3 建立模型（以3Dmax 為例）

在制作3D 模型前，首先建立文檔，包括項目名稱、出處等信息。

（1）基礎模型建立

首先確定平面的布局與功能，結合數據采集階段的數據，確定建模對象的層高等尺寸，將導入的CAD 放入3DMax 網格中心，建立起一個基礎模型，打出一個攝像機角度，觀察模型比例，方便建立整體模型之后調整攝像機角度，以達到最理想的角度。

（2）基礎裝飾模型建立及導入

按照平面圖的規劃，使用捕獲命令做地面所需的模型，模型導入之后首先成組方面移動位置，調整模型的位置、比例和尺寸。導入模型調整完畢后，觀察攝像機角度，調整達到最理想角度。

（3）調整模型材質

將單色材質球改成Vary 材質，設置參數，注意個別材質的折射、反射以及凹凸情況，同時按照材質選擇，將一種材料的模型成組，方便修改。

（4）渲染器的設置

這里可以使用默認的渲染器，也可以使用Vray等渲染器，適當修改出圖尺寸，在圖像采集器里把類型改為自適應DMC,為保證材質細節更為精細，可以在發光貼圖里將當前預制改為高或者非常高。

3D 打印技術助力敦煌醫學研究的思路如圖1所示。

圖1 研究思路

4.4 測試及打印

標準的3D 打印格式生成之后，將模型文件格式轉換成標準的STP 格式，建立建模軟件與3D 打印機之間的協作通道；設定模型成型方向與分層參數；在計算機控制下，相應的成型頭按各截面輪廓信息做掃描運動，在工作臺上一層一層地堆積材料，各層相粘結，最終得到原型產品。

5 3D 打印技術助力敦煌醫學發掘的意義

5.1 3D 打印技術拓寬了敦煌醫學的研究方法

科學研究需要“新鮮的血液”的支撐，它依托技術而生，依托技術而發展、繁榮；敦煌文獻中發掘的一批醫藥記載，曾在20 世紀80 年代促成了敦煌醫學學科的誕生；但如今卻難結“碩果”，這與研究者手段單一密切相關。單一的研究手段使得敦煌醫學的發掘局限于原始資料的復制、部分醫藥殘卷的還原及對有關醫藥殘卷個別題目的研究，3D 建模及打印技術的應用無疑打破了這個局限，促使敦煌醫學的發掘向數字化、實體化的方向發展[10]。

5.2 3D 打印技術為敦煌文創產品開發提供無限可能

敦煌醫學文創產品的開發是傳播敦煌醫學文化的一種重要形式，也是敦煌醫學研究的一個重要部分。當設計師在進行文創產品設計時，往往都會依據主題、工藝以及發展進行設計，3D 打印技術的應用自然使得產品的造型具有更多的可能性。敦煌醫學文創產品能將敦煌醫學文獻中的文化元素融入日常文娛，打破被動接受的模式，提高趣味性。比如，設計打印“數字敦煌魔方”打破傳統魔方9 種色彩的視覺模式，將從敦煌壁畫中提取的小動物線稿圖和莫高窟精美壁畫制成魔方的9 面內容，讓體驗者在拼圖的同時玩轉敦煌壁畫，感受敦煌壁畫的千年智慧。

6 總結

敦煌醫學作為敦煌學的重要分支，以及傳統中醫藥的重要組成部分受到了人們的廣泛關注，其中最引人矚目的便是敦煌醫學文物的全面發掘，對這些文物的數字化采集、開發與展示的需求與日俱增。然而，從原本對卷宗的簡單抄錄上升到計算機數字化的跨度對于敦煌醫學研究者而言是一個巨大的挑戰，與此同時研究者對數字化技術認知度不高、概念模糊,也阻礙了數字化展示技術在該方面的研究與發展，對修復醫籍設計方法的探討也相對滯后。本研究在闡述敦煌醫學研究推廣重要性的基礎上,結合3D打印數字化技術,探索3D 打印技術助力敦煌醫學發掘的研究思路,為進一步增強敦煌醫學文化傳播的張力,以及敦煌醫學文化的數字化工作提供有益的借鑒。