全球首创!“90后”科研团队上新考古“黑科技”——破译文物“DNA”

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划重点

01中国科学院高能物理研究所核技术应用研究中心研发出全球首台用于文物元素分析的曲面X射线荧光光谱仪。

02该设备可细致扫描曲面或表面不平整的文物,获取高精度的表面元素信息。

03为此,团队制定了多重保护策略,包括使用多种传感器和“安全路径规划”来确保文物安全。

04目前,该设备已在故宫博物院投入使用,为考古人员带来更多新发现。

05未来,研发团队将继续尝试将射线成像技术应用在更多领域。

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在济南中科核技术研究院的实验室里,常常能看到一群年轻的科研人员。他们富有朝气且思维活跃,面对一个个科研课题,总是不畏挑战、勇往直前。很难想象,就是这样一个年轻的群体,研发设计出了全球首台用于文物元素分析的曲面X射线荧光光谱仪。
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借助科技的力量,我们能否洞悉文物的更多秘密?
近日,在济南中科核技术研究院的实验室里,济南日报记者看到了研发者为考古界带来的又一个惊喜。
这是一台“曲面微区X射线荧光光谱仪”,在工程师的操作下,科技感满满的六轴机械臂沿着提前设计好的轨迹,细致地扫描着青花瓷瓶的每一处细节。经过智能算法分析,工程师能够计算出该器物的元素成分和分布,并出具一份“DNA分析报告”。
可别小看这份报告,它能为文物的保护和修复提供科学依据。
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创造一款“理想设备”
该设备的研发带头人、中国科学院高能物理研究所核技术应用研究中心博士许琼自豪地告诉记者,前不久,他们团队陈志强等人刚刚带着这台设备,赴安徽武王墩墓考古发掘现场“出差”。
“看,这一兽面的主体颜料含铜;脸部颜料含汞;黑眼珠两侧的眼白以及耳朵两侧,颜料含钙;而砷元素虽然含量少,却起到点缀的作用……”在武王墩墓考古现场的实验室,团队成员李宇杰和王逸凡使用该设备,对出土的一件编钟支架顶端的兽面纹进行扫描分析,获得的信息之丰富让现场的考古人员无不为之惊讶。对他们来说,手握这份报告,那个金戈铁马、群雄争霸的画面似乎更清晰了。
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在考古现场感受着这份喜悦,陈志强感慨万千。在他看来,这就是多年科研历程的最终意义。
时间回到2021年,当时的许琼已经在射线成像领域耕耘多年,并且一直关注X射线成像设备在文物考古方面的应用。彼时,国际上最先进的技术也仅能对油画等平面作品进行平移式的扫描和单点元素分析。而这,显然不能满足中国文物考古工作需求。
“我国文物种类众多、形制多样,例如玉器、陶瓷、青铜、玺印、漆器等,它们造型复杂、工艺繁复,需要功能更强大的扫描设备。”许琼回忆,他们的初衷,是研发出一款能够适用于曲面或者表面不平整的文物,进而获取高精度的表面元素信息的设备。
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“多重策略”保护文物
当时国内外没有任何的经验可供借鉴,许琼的目标却依然坚定,她根据研发需要组建了团队,其中包括机械研发、系统集成以及软件算法等多专业的技术人才。这是一支年轻又富有创造力的团队,成员多为“90后”,甚至“95后”。在许琼的主导下,团队成员积极与故宫博物院对接,基于考古人员的工作需求,确定了研发方向,开始设计方案。
从单点、平面扫描升级为360度的空间扫描,团队人员想到通过机械臂和深度相机来实现。记者观察发现,机械臂启动后的整个过程中,探头在移动中始终贴着文物表面,又不会触碰到文物。这是怎么做到的呢?
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“扫描越细致,数据就越准确。但扫描中我们首先要保证,机械臂不能碰到文物。”工程师宋绍阳坦言,文物的价值决定了设备没有任何的试错机会。为了保证文物的安全,团队软件工程师和机械工程师通力协作,尝试了多种保护机制,最终制定了多重保护策略。
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“我们使用了多种传感器来保证运行安全,并通过‘安全路径规划’来设定轨迹扫描。”宋绍阳提到的“安全路径规划”,是指通过在三维空间内的点云标记方法,来设定机械臂扫描的路径。对于一件文物来说,扫描越精细,最终得到的信息也会更充分,尤其是表面坑洼不平的文物,更需要规划一条精准的路径。
在硬件上,团队选择了性能更好的国产相机来保证基础数据的稳定性;在软件上,他们依靠智能算法优化路径。在机械工程师和算法工程师的通力协调、不断完善下,设备运行趋于平稳。
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发掘现场惊艳亮相
经过3年的攻坚,2023年该设备在原理样机的基础上正式研制成功。宋绍阳清晰记得扫描第一件文物的过程。那是由故宫博物院提供的一尊清代掐丝珐琅麒麟。这一文物造型、工艺和材质都非常复杂,十分考验设备的扫描和分析能力。
当团队成员小心翼翼地将这一文物捧到检测台上,并启动设备,所有在场人员的心情都紧张起来。最终,设备不负众望,经过细致扫描和分析,为大家呈现了一份元素分析报告,也让考古专家赞叹不已。
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走出实验室的“黑科技”,在考古发掘现场的表现同样惊艳。在武王墩墓考古发掘现场,这台设备将一些元素进行单独成像或组合成像,考古人员可以根据这些图像推测到这件器物最初制作时的构图、用材。在这一“黑科技”的帮助下,武王墩墓考古发掘项目文物保护负责人张治国有了惊喜的发现,他拿这件编钟支架顶端的兽面纹举例:“兽面纹的黑底红漆,在以往的研究认知中,其制作工艺通常被认为是用炭黑颜料打底后,再用朱砂去描绘眼耳口鼻等纹饰。然而,通过这一设备进行元素扫描分析,我们发现漆器颜料中,含有铜、钙、铁、砷等元素,这超出了以往的研究认知。”
“目前,我们的设备已经在故宫博物院投入使用,将会为考古人员带来更多新发现。除了文化遗产,我们也会尝试将射线成像技术应用在更多领域。”谈到未来,许琼自信而笃定。(济南日报记者王飞)
来源:济南日报