3D 打印技术助力敦煌医学发掘的应用研究＊

马昌东，石 勇，任 真

（甘肃中医药大学信息工程学院，甘肃 兰州 730030）

1 引言

敦煌医学是敦煌学的一个重要分支，对它的研究不仅大大丰富了古丝绸之路的医药学术成就，同时也向人类展示了敦煌艺术之美、文化内蕴之丰富以及中国古代劳动人民的聪明才智。但目前敦煌医学文物的发掘仍缺乏高端技术的助力与支持，往往使其受困于文物保护与对外传播的矛盾中，3D 打印技术的出现，将会有效解决此类问题，推动敦煌医学文物的发掘。使用3D 建模技术，不仅能让敦煌医学文物快速数字化展现，有效的保护文物本身，同时对损毁的医学文献、壁画原样，也能利用3D 技术仿真其原貌，利用3D 打印技术打印其实体，使其跨越历史长河重新焕发勃勃生机[1]。

2 3D 打印技术的发展及应用

3D 打印技术，一般性的解释是：首先使用建模软件设计3D 模型，然后利用计算机控制进行逐层叠加，最终通过3D 打印机将三维模型变成立体实物的技术。自1986 年美国科学家Charles Hull 开发了第一台商业3D 印刷机开始，3D 打印技术发展迅猛。到1995 年，美国ZCorp 公司从麻省理工学院获得授权并研发成功了3D 打印机，再到2019 年4 月15 日，以色列特拉维夫大学研究人员以病人自身的组织为原材料，3D 打印出全球首颗拥有细胞、血管、心室和心房的“完整”心脏。目前而言3D 打印技术已经十分成熟，与传统打印技术相比，3D 打印技术有着更高的直观性和还原度，甚至在便捷性与速度等方面也有巨大的潜力[2-5]。

在我国，3D 打印技术主要起源于各大高校的科学研究。自20 世纪90 年代以来，我国多所学校开展了3D 打印的研究，其中有以FDM 为主的清华大学，以SLA 为主的西安交通大学，以SLS 为主的华中科技大学等多个研究团队。1994 年我国科研团队成功开发出第一台3D 打印设备，从2000 年开始北京航空航天大学历时5 年成功突破高性能金属机构件快速成型关键技术及其成套装配技术，使中国成为第二个掌握此项技术的国家。此外湖南华曙高科技有限责任公司已然成为世界唯一一家拥有SLS完整产业链的企业，打破了美国在3D 打印技术上的垄断。3D 打印技术的不断推广已经为科学研究乃至为人民生活带来了极大的便利，3D 打印技术在降低产品制造点复杂程度、扩大生产制造的范围、即时生产且能够满足客户个性化需求、提高原材料的利用率及精确度方面具有重要优势，因而在机械制造、文物保护、产品设计、医疗器械、教学演示等方面均获得了广泛应用，尤其在产品设计开发方面，3D 打印技术更是提供了无限可能，3D 打印技术能够大大简化工艺流程，快速实现装配、实验、验证等环节，有效地缩短了制造周期[6]。

3 3D 打印技术助力敦煌医学挖掘研究的可行性分析

3.1 政策的导向分析

近年来中医药事业迎来了大发展，国家中医药管理局积极支持开展敦煌学中医学经卷研究及相关医学内容研究工作，组织专家提供技术支持，系统发掘整理敦煌医学。专家认为，“科技创新和数字化建设是未来敦煌医学传承和弘扬的重要途径”。2021 年9 月，习近平总书记在敦煌研究院座谈时，指出：“推动中华优秀传统文化创造性转化、创新性发展”“要通过数字化、信息化等高技术手段，推动敦煌遗书等文物的数字化回归，实现敦煌文化艺术资源在全球范围内的数字化共享。”而3D 打印恰恰是数字化技术的延伸，也必然推动敦煌医学数字化的延伸[7-8]。

3.2 需求的可行性分析

敦煌医学及其文化思想要发展传播绝非易事，单纯的依靠文字性的描述效果甚微，文创产品在传播文化方面的能力毋庸置疑，就市面上的文创产品而言，生产工艺大都运用了3D 打印技术，运用3D打印技术对敦煌医学相关文物进行二次创造，打造别出心裁的文创作品，对敦煌医学的文化传播也有着巨大的推动作用[9]。

4 3D 打印技术助力敦煌医学研究的思路

4.1 制定设计原则和目标

设计应以还原完整性和真实性为前提；以准确、逼真为目标，坚持以方便研究者为出发点，突出设计的可持续性及发展性。设计原则和目标贯穿整个设计过程，确保结果的正确性。

4.2 数据采集

数据采集是建立模型的基础，常用的采集方法有直接测量和间接获取两种渠道。直接测量是数据收集者借助相关的测量仪器直接对采集对象进行一些特征数据的提取，这种测量方法最为直接，但精确度较低，数据收集慢。间接测量是通过三维扫描仪扫描采集对象来提取数据，这种采集方法精度高、效率快，是目前最为常见的数据采集方法。

4.3 建立模型（以3Dmax 为例）

在制作3D 模型前，首先建立文档，包括项目名称、出处等信息。

（1）基础模型建立

首先确定平面的布局与功能，结合数据采集阶段的数据，确定建模对象的层高等尺寸，将导入的CAD 放入3DMax 网格中心，建立起一个基础模型，打出一个摄像机角度，观察模型比例，方便建立整体模型之后调整摄像机角度，以达到最理想的角度。

（2）基础装饰模型建立及导入

按照平面图的规划，使用捕获命令做地面所需的模型，模型导入之后首先成组方面移动位置，调整模型的位置、比例和尺寸。导入模型调整完毕后，观察摄像机角度，调整达到最理想角度。

（3）调整模型材质

将单色材质球改成Vary 材质，设置参数，注意个别材质的折射、反射以及凹凸情况，同时按照材质选择，将一种材料的模型成组，方便修改。

（4）渲染器的设置

这里可以使用默认的渲染器，也可以使用Vray等渲染器，适当修改出图尺寸，在图像采集器里把类型改为自适应DMC,为保证材质细节更为精细，可以在发光贴图里将当前预制改为高或者非常高。

3D 打印技术助力敦煌医学研究的思路如图1所示。

图1 研究思路

4.4 测试及打印

标准的3D 打印格式生成之后，将模型文件格式转换成标准的STP 格式，建立建模软件与3D 打印机之间的协作通道；设定模型成型方向与分层参数；在计算机控制下，相应的成型头按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材料，各层相粘结，最终得到原型产品。

5 3D 打印技术助力敦煌医学发掘的意义

5.1 3D 打印技术拓宽了敦煌医学的研究方法

科学研究需要“新鲜的血液”的支撑，它依托技术而生，依托技术而发展、繁荣；敦煌文献中发掘的一批医药记载，曾在20 世纪80 年代促成了敦煌医学学科的诞生；但如今却难结“硕果”，这与研究者手段单一密切相关。单一的研究手段使得敦煌医学的发掘局限于原始资料的复制、部分医药残卷的还原及对有关医药残卷个别题目的研究，3D 建模及打印技术的应用无疑打破了这个局限，促使敦煌医学的发掘向数字化、实体化的方向发展[10]。

5.2 3D 打印技术为敦煌文创产品开发提供无限可能

敦煌医学文创产品的开发是传播敦煌医学文化的一种重要形式，也是敦煌医学研究的一个重要部分。当设计师在进行文创产品设计时，往往都会依据主题、工艺以及发展进行设计，3D 打印技术的应用自然使得产品的造型具有更多的可能性。敦煌医学文创产品能将敦煌医学文献中的文化元素融入日常文娱，打破被动接受的模式，提高趣味性。比如，设计打印“数字敦煌魔方”打破传统魔方9 种色彩的视觉模式，将从敦煌壁画中提取的小动物线稿图和莫高窟精美壁画制成魔方的9 面内容，让体验者在拼图的同时玩转敦煌壁画，感受敦煌壁画的千年智慧。

6 总结

敦煌医学作为敦煌学的重要分支，以及传统中医药的重要组成部分受到了人们的广泛关注，其中最引人瞩目的便是敦煌医学文物的全面发掘，对这些文物的数字化采集、开发与展示的需求与日俱增。然而，从原本对卷宗的简单抄录上升到计算机数字化的跨度对于敦煌医学研究者而言是一个巨大的挑战，与此同时研究者对数字化技术认知度不高、概念模糊,也阻碍了数字化展示技术在该方面的研究与发展，对修复医籍设计方法的探讨也相对滞后。本研究在阐述敦煌医学研究推广重要性的基础上,结合3D打印数字化技术,探索3D 打印技术助力敦煌医学发掘的研究思路,为进一步增强敦煌医学文化传播的张力,以及敦煌医学文化的数字化工作提供有益的借鉴。