六軸機械臂動作精準，小心翼翼地按照預先設定的軌跡，一絲不茍地掃描青花瓷花瓶的每一個細節(jié)。在山東省濟南應用核科學的實驗室里，一群年輕的研究人員正在研究這項突破性的創(chuàng)新——世界上第一臺專為文物分析而設計的“表面自適應 uXRF 掃描儀”。通過智能算法分析，工程師能夠確定文物的元素組成和分布，生成“DNA 報告”。這份報告為文物的保存和修復提供了科學依據(jù)。

文物X射線掃描

“對于曲面和不平整的表面，我們已經(jīng)掃描了故宮博物院的許多文物，例如琺瑯花瓶和金銀器。在中國北方山西省臨汾市的陶寺遺址，我們掃描了一件重要文物，這是一種測量工具，其表面特別不規(guī)則，”中國科學院高能物理研究所副研究員許瓊告訴記者。

“中國文物種類繁多，玉器、陶瓷、青銅器、印章和漆器等不勝枚舉。它們形狀復雜，工藝精湛，需要更先進的掃描設備，”許瓊說。他們最初的目標是開發(fā)一種能夠?qū)η婊虿黄秸砻娴奈奈镞M行高精度表面元素分析的設備。

到2021年，研究工作人員已經(jīng)花了數(shù)年時間研究X射線成像及其在文物和考古中的應用。當時，國際上最先進的技術(shù)也只能對油畫等平面物體進行平面掃描或單點元素分析，遠遠不能滿足我國考古和文物工作的需要，遂與故宮聯(lián)合研發(fā)該設備。

與現(xiàn)有的3D掃描技術(shù)主要通過X射線和CT技術(shù)進行光學表面成像和結(jié)構(gòu)重建不同，該設備可以揭示物體表面的元素分布。

許瓊回憶說，當時國內(nèi)外都沒有先例可借鑒?！霸谂c故宮博物院的交流中，我們了解到，國內(nèi)文物機構(gòu)使用的X射線熒光光譜儀大多是進口的，主要用于平面研究，比如西方油畫。這些設備在應用于以曲面為主的中國文物時面臨很大挑戰(zhàn)?！?/p>

要從單點、平面掃描升級到360度空間掃描，該團隊考慮使用機械臂和深度攝像頭。該團隊的工程師之一宋紹陽指出，掃描細節(jié)越多，數(shù)據(jù)就越準確。不過，機械臂絕不能接觸文物?！拔奈锏膬r值意味著沒有試錯的余地，”宋紹陽說。為了確保文物的安全，該團隊的軟件和機械工程師實施了多種保護機制。

智能算法

硬件方面，他們選用了性能優(yōu)異的國產(chǎn)相機，保證基礎數(shù)據(jù)的穩(wěn)定；軟件方面，他們通過智能算法優(yōu)化掃描路徑。三年過去了，宋紹陽還記得用該設備掃描的第一件文物：故宮博物院提供的清代掐絲琺瑯麒麟像。這件文物的造型、工藝、材質(zhì)之復雜，對設備的掃描和分析能力提出了極大挑戰(zhàn)。

當團隊小心翼翼地把造像放到探測平臺上，啟動設備時，全場所有人都緊張起來。結(jié)果沒有讓人失望，一絲不茍的掃描分析，生成了詳細的元素報告。許瓊介紹，自2024年起，該設備已在安徽淮南武王墩墓、故宮博物院、山西陶寺遺址等多家文物考古機構(gòu)應用。該設備已用于掃描的文物范圍廣泛，從漆器、琺瑯器到古劍、石器、金銀器等，不一而足。最近，陳志強等團隊成員將該設備帶到了武王墩墓考古現(xiàn)場，對編鐘支架進行了多面掃描，成功重構(gòu)了其彩繪表面的完整元素分布。他們對編鐘架獸面圖案的復雜分析令考古學家驚嘆不已。獸面的主要顏料為銅元素，獸面本身含有汞元素顏料，眼白和耳邊區(qū)域為鈣元素，微量的砷元素起到了裝飾作用。有了這份報告，考古學家可以生動地想象出古代戰(zhàn)爭和宮廷盛況的場景。

該設備還對編鐘架獸面圖案的工藝進行了開創(chuàng)性的洞察。傳統(tǒng)上，人們認為黑色基底和紅色漆層需要先涂上炭黑顏料，然后再涂上朱砂，以描繪面部特征。然而，使用該設備進行元素分析發(fā)現(xiàn)了挑戰(zhàn)先前假設的新成分。許瓊說：“我們根據(jù)以前的應用對該設備進行了幾次升級，并基本完成了下一代迭代，將于今年推出。我們的團隊由充滿活力和創(chuàng)新精神的年輕研究人員組成，他們充滿決心和解決問題的精神。未來，我們將開發(fā)更多專業(yè)設備來應對跨學科挑戰(zhàn)?！?/span>