千年敦煌绘新卷 | 现代科技守护古老敦煌
八月初，记者走进莫高窟351窟。狭窄的洞窟里搭起了架子和采集设备，敦煌研究院数字化团队正进行数字化采集。眼前古老的洞窟，将被定格在此刻，在数字世界中获得“永生”。
现代科技，一边帮助彩塑与壁画“赛博永生”，一边为古老敦煌“祛病延年”。近年来，敦煌研究院在科研方面的“硬实力”有目共睹：多项文物保护科技成果入选国家“十三五”科技创新成就展，联合其他机构成立了我国首个，也是目前唯一的国家古代壁画保护工程技术研究中心，承接了多项国家重点文物保护项目，还走出国门，为吉尔吉斯斯坦、缅甸等“一带一路”沿线国家的文化遗产保护提供技术支撑和中国方案。未来，敦煌研究院还有望组建国家重点实验室。
壁画修复师正在修复莫高窟55窟壁画 王笑妃/摄
科技织就“金钟罩”
敦煌研究院石窟监测中心主任王小伟的身后，是一块大屏幕，上面列满实时更新的数据，科技感十足：石窟寺天气实况、预警、实时游客量、文物保护工作现状……监测范围涵盖莫高窟的大环境、微环境，以及崖体、洞窟本体，还包括展馆、游客、工作等情况，可谓一室之内石窟动态尽在掌握。
2022年，在莫高窟监测预警系统的基础上，敦煌研究院启动了甘肃省石窟寺监测预警系统（第一期）项目。
“我们监测了115个莫高窟的洞窟，还接入了敦煌研究院管理的甘肃省内榆林窟、西千佛洞、麦积山、炳灵寺和北石窟寺等5处石窟寺的部分数据。帮助小石窟寺进行监测预警体系维护和数据分析，也是我们做省级平台的意义之一。”王小伟介绍，该项目运用物联网、无线传感器等技术，将敦煌研究院所辖六处石窟寺的监测预警工作有机结合起来，并将气象局、地震局等专业机构预警纳入系统，为石窟寺的预防性保护和抢救性保护、旅游开放等工作提供数据支持。
除了常见的二氧化碳浓度和相对湿度，他们还对洞窟中的VOC进行监测。（VOC指挥发性有机化合物，香水中多含。）虽然香水对洞窟是否会造成影响，尚未形成定论，但提前积累数据，可以未雨绸缪。
除了人的行为、自然气候可能对石窟造成影响，动植物及微生物也会影响到石窟安全。
走进敦煌研究院保护研究所生物实验室，只见架子上码着一排透明瓶子，瓶中泡着蛇、蜘蛛、蜥蜴等动物。为何要收集这些标本？它们与石窟又有何关系？记者仔细端详，瓶子上的标签显示，这些小动物采集自各石窟。敦煌研究院馆员贺东鹏解释，鸟类、昆虫、鼠类等动物进入洞窟做窝、排泄、抓挠；植物根系、枝条生长进入壁画结构体内；微生物滋生、侵蚀等，都会对壁画造成破坏，因此要进行防治。
敦煌研究院保护研究所生物实验室 王笑妃/摄
实验室的一角，一个盒子里有许多密密麻麻的黑点在动，走近一看竟然是甲虫。“这是我们为了研究养的当地拟步甲科的昆虫。前几年降雨增多，这种昆虫大量繁殖，少量爬进了洞窟。目前，通过化学药剂杀灭、布设陷阱，尽量把它们的种群数量控制在合理范围内。”贺东鹏向记者解释道。
来到敦煌研究院应急指挥中心，又是一块硕大的屏幕，不同区块分布不同的监控画面，既有门前杳无人迹的非开放洞窟，也有熙熙攘攘、携家带口的游客，还有麦积山等石窟的值班室画面，如同请来“千眼观音”坐镇。
敦煌积极开展“平安石窟”建设，今年五月，莫高窟安防升级改造工程完成初验，一院六地石窟安防系统的全面联通，在石窟寺上方罩起越织越密的“金钟罩”。
“莫高窟本地有780多个摄像头，联动榆林窟等其他5处石窟共有超1300路视频图像。”敦煌研究院保卫处副处长张帅介绍，保卫处严格执行24小时双人双岗值班，有人靠近禁区触发警报后，将立刻派出无人机或车辆和人员，“窟区两三分钟就可以到现场，远的地方五六分钟。”张帅自豪地说，“保守地说，我们的安防系统应该可以在全国文物系统排前五。”未来，敦煌研究院还希望申请成为全省的文物安全培训基地，向更多文保单位推广先进的安防经验。
安全保障体系，除了守护文物安全，同时还能守护游客和职工的安全。“我们将现有的安防、消防、电气线路系统等都集成到数字孪生模型上，便于内部的隐患排查、风险分级管控。”
安防系统还接入了院内监测中心、游客预约系统等的数据，并且数据与酒泉市消防支队、敦煌市公安局共享，“尽量不做信息孤岛”。系统升级后，民警因游客走失、遗失物品来查监控的效率大大提升，“从原来的三四小时，到现在最快五分钟就能解决问题。”张帅说。
莫高窟220窟乐舞图（复制） 李韵/摄
实验锻造“护身符”
一台电脑显示屏上，数字化模拟复原的莫高窟254窟壁画“萨埵太子本生”，如同刚刚绘制成，艳丽明亮，与斑驳黯淡、饱经沧桑的原始壁画形成鲜明对比。敦煌研究院副研究馆员柴勃隆介绍，这是莫高窟首幅用多光谱技术复原的壁画。在紫外光、红外光下，肉眼看不到的壁画线条、有机颜料使用位置等细节都浮现出来，如同人民币在紫外线下会呈现防伪标识一般。运用多光谱技术，最终可以对壁画颜料层及绘画技法进行“科学”而非主观的复原，还原到壁画最初创作时的模样。而且这种方式是无损的、非接触的，不会对壁画造成损害。
柴勃隆指着屏幕上285窟中“五百强盗成佛姻缘故事”的图像说：“其实古人当时画了许多精彩的细节，比如紫外线下，喷射的血迹都依稀可辨。还能看到古人绘画时的修改痕迹，比如254窟壁画中，老虎尾巴的位置就被修改过。”他兴致勃勃地分享。
此外，多光谱也可以帮助辨别壁画中不同颜料的分布位置。“好多变色的壁画我们看到都是黑色的，但变黑前它们到底是什么颜料？通过对比颜料多光谱图像标准数据库，就可以探明它们的真身，是铅丹还是靛蓝等。”
跟随穿着白大褂的科研人员，记者穿行于敦煌研究院保护研究所的各实验室之间，形形色色的仪器与设备叫人目不暇接。墙上的一幅幅海报，记录着敦煌研究院在科研上的累累硕果。
敦煌石窟的壁画用了哪些制作材料和工艺？如何防止壁画发霉？如何将壁画原位保护？……敦煌壁画尘封千年的秘密，在扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线荧光光谱等现代科技襄助下，逐渐找到答案。
走进高约两层楼、占地三千多平方米的国内首座文物保护领域的多场耦合实验室，能于一时一地目睹一年四季：冬季仓中，来自锁阳城遗址的样本上覆盖着皑皑白雪；风雨仓中，来自庆阳北石窟寺的样本经历着“风吹雨打”；夏季仓中，取自秦东陵遗址的样本最为“沧桑”，表面的裂缝已如沟壑纵横。“这个样品已经经历了一个完整年周期的加速模拟。最开始它的表面是比较平整光滑的，经历了一个年周期的降雪、降雨、风化过程后，它已经有了一些比较明显的病害发育。”敦煌研究院保护研究所副研究馆员张博介绍，这些样本并非取自遗址本体，而是使用遗址周边原状样品，或用传统工艺制成的。
多场耦合实验室具有时间可控、精度可调、可进行多场耦合模拟、足尺样品模拟等优势。这里可以在短时间内，模拟不可移动文物经历多种不同自然条件“摧残”后的模样，为保护工艺和材料的使用、研发提供数据，揭示土遗址“生病”的原因。三个仓体配合使用，可以模拟从零下30℃到60℃的温度，从10%至90%的相对湿度，以及风、雨、雪、日照等一年四季土遗址所在地域的各种气候条件。
在多场耦合实验室中，时间可以被“加速”。“像干旱环境，四五十天左右就能够模拟完一个年周期。”张博表示，未来还有望进一步优化、压缩这一模拟过程。
敦煌研究院副院长郭青林说：“我认为没有不好的材料，只有不好的使用环境和方法。就像人治病，哪个处方有效，需要不断通过模拟实验来验证。”多场耦合实验室就是模拟各种“病症”，试验“药方”的有效性。“我们可以在实验室里验证学者最新研究成果的可行性；材料研发出来后，我们还可以给保护工艺、材料开出一个详细的使用说明书，比如它们适用哪些遗址？具体应该怎样用？”张博介绍，像敦煌研究院自主研发的PS材料，就是通过实验研究出它针对哪些降雨强度加固效果较好。
2020年，我国首座文化遗产保护多场耦合实验室正式投入使用。敦煌研究院供图
多场耦合实验室工作照 王笑妃/摄
数字开启“永生路”
走进正在进行数字化采集的莫高窟351窟，顿觉温度骤降，因此即使窟外三十多摄氏度，在阴冷洞窟一扎就是一整天的采集人员，也要裹着厚厚的外套。窟内，彩塑佛像垂眉，与钢架上的采集设备面面相对。千年时光，于此刻凝固在“赛博”空间。
正在进行数字化采集的莫高窟351窟 王笑妃/摄
“针对狭窄空间，我们定制了可以任意组装拆卸的采集设备；针对大型空间，我们研发了自动化采集设备。”敦煌数字化工作团队工作人员路育成介绍。
“机器之用，物化之学，工之智也。”一代工匠有一代工匠的智慧。古代的工匠和画师，开凿洞窟，勾描壁画，为我们留下宝贵的敦煌文化；今日敦煌研究院的数字化团队，则以数字技术助力敦煌永生。从20世纪90年代起，敦煌研究院开始数字化探索，“数字敦煌”建设不断攀登新的高峰。
路育成介绍，目前，“数字敦煌”已采集290个洞窟，采集面积2.6万平方米，全景漫游节目制作洞窟172个，石窟空间结构扫描洞窟206个，彩塑三维重建44身，数字化扫描历史档案底片42134张，并为新疆、西藏等9省区市近20处文物保护单位提供了数字化技术支撑。
2022年，“数字敦煌”入选世界互联网大会“携手构建网络空间命运共同体精品案例”。“在全球200多个案例中，我们是唯一入选的文博单位。”敦煌研究院院长苏伯民骄傲地说。
百尺高楼从地起，世上无一蹴即成之事。这样的成绩，背后是采集人员长年累月的默默耕耘。以351窟为例，窟中壁画的表面积约为400多平方米，8位工作人员需花费100多个工作日采集数据，后期图像拼接还需三四个月。
走进图像处理加工办公室，屋里十分静谧，只有鼠标点击的声音。数字化团队的成员们，如窗外的银白杨一般，安静又坚定。在洞窟里完成数字化采集之后，要在这里进行图像的拼接与定位纠正、彩塑和洞窟空间结构三维重建等处理。就是这些人在电脑前，日复一日、年复一年地拼接一张张图片，如搭积木般，搭建起数字世界里绚丽的敦煌。
“一人一天只能拼接二三十张图片，而一个壁面往往就有上千张图片。并且我们要进行两遍复查修改，确保壁画的形变控制在毫米级。”路育成介绍，“不过我们正在研发自动拼接技术，未来有望大大提升拼接效率。”
数字化团队成员年海霞，正对着电脑拼接图片。记者在边上旁观一会儿，便感到了这一工作的重复与枯燥：“您会觉得工作乏味吗？”她轻轻摇了摇头，绽出一个腼腆的笑说：“壁画本来色彩就比较丰富，我每天看到的壁画又是不同的。虽然我是学计算机的，但自己也会去网上搜索了解壁画背后的故事。”
路育成从事数字化工作十余年了，他坦诚地说，“前两年可能觉得枯燥，但是做了三四年，沉下心来了，自己也觉得是为后人留下历史的档案，很有意义。”
数字敦煌，不仅为了永久保存敦煌的文化遗产，而且为了让全民、全世界共享敦煌宝库内的资源。敦煌研究院一直积极推进数字化资源成果的转化利用，让全世界人都可以在云端欣赏敦煌文化。
2022年，全球首个基于区块链的数字文化遗产开放共享平台“数字敦煌·开放素材库”上线，来自莫高窟等石窟遗址及藏经洞文献的21类壁画专题、首批6500余份高清数字资源档案向全球开放。
“以前国际敦煌学界的国际敦煌项目数据库，只是把照片原原本本放上去，我们的敦煌遗书数据库则充分发挥了专家资源优势，补充了遗书全文录文。”苏伯民表示，敦煌研究院还在和英国、俄罗斯等国家协作，达成数字资源共享，推动海外敦煌文物的数字化回归。
敦煌研究院也在不断探索以最新科技，为敦煌数字化资源找到更好玩、更有趣、更活泼的活化利用方式。从疫情期间推出的“云游敦煌”小程序，到今年发布的超时空参与式博物馆“数字藏经洞”，都获得了很高的点击量。“未来，希望让人们在手机上就能很轻松地触及敦煌，比如利用VR等技术，也许将来人们坐在家中，就可以进入莫高窟每一个洞窟参观游览。”苏伯民笑着说。
