克孜尔石窟炭黑下的壁画飞天形象，首次被“成都造”多模态太赫兹系统“看见”

新疆库车，渭干河谷北岸。克孜尔石窟第161窟的穹顶黑沉沉的。那不是石头本来的颜色，是烟火一层层熏上去的炭黑，把底下的壁画封得严严实实。

里面画了什么？无人知晓。

直到一台搭载着三只“眼睛”的机械臂升至穹顶。第一只“眼睛”扫形貌，第二只“眼睛”穿炭黑，第三只“眼睛”辨颜色。屏幕上，忍冬纹（一种菱形格纹样）、飞天（壁画中的天人形象）的衣袖等逐渐显现。一个被时间吞没的壁画，第一次有了轮廓和颜色。

这套名为“多模态太赫兹扫描系统”的装置，由电子科技大学胡旻教授团队自主研发，联合浙江大学张晖教授团队共同用于克孜尔石窟项目——太赫兹波、结构光、X射线荧光，三种不同频段的电磁波装在同一只机械臂上，国际上首次用于石窟壁画无损检测。

9月7日，红星新闻记者走进太赫兹科学技术教育部重点实验室。实验室里堆着半人高的设备箱，那台搭载各类探头的机械臂立在桌上，臂展伸开，正在做出发前的最后调试。9月中下旬，它将再次西行。

约5米高的穹顶：

机械臂贴着弧面“绣花”

克孜尔石窟第161窟不大，深宽约4米，总面积约16平米，其中，穹顶的最顶上到地上高约5米。人站在窟底仰头，穹顶压下来，黑压压一片。电子科技大学太赫兹中心负责人胡旻教授第一次进去时，抬头看了很久，“像站在一口倒扣的锅底下”。

穹顶不是平的，是拱的。机械臂不能走直线，得贴着曲面一点一点挪，像在黑暗中给巨人做微创手术。要完成这个动作，机械臂上搭载了三只“眼睛”，各管一摊。

▲电子科技大学胡旻教授正在讲解原理

结构光先扫形貌，以亚毫米级精度把穹顶的三维模型建出来。有了模型，算法才能根据曲面规划路径——太赫兹探头必须沿法线垂直射入，才能准确捕捉炭黑、颜料、地仗层之间的反射信号能够精准还原每一层的厚度；X射线荧光探头则要贴着表面三毫米以内移动，才能捕捉到元素信息，进而确定颜色。

“一个要垂直，一个要贴着，路径规划极其复杂。”胡旻说。

升降机是专门定制的，石窟门太窄，普通设备进不去。升到六七米高度，机械臂伸展开，金属关节发出细微的嗡鸣。这套系统从机械臂到算法，全部自主研发，全国产设备。“原来手臂还是进口的，现在换成全国产了，完全实现自动扫描。”

但设备能扛，人扛不住。洞窟冬天零下二三十度，新疆的雪一下来，路都上不去。“从5月干到10月，去年整个工作季只扫了两个区域，每个约一平方米。”胡旻说，整个穹顶可扫面积约15平方米。

▲团队在克孜尔石窟进行勘测 图据受访者

“十五分之二，用了一年。”他顿了顿，“每一寸都是在跟时间谈判。”

谈判有了初步结果。两个区域已经还原出清晰图像：忍冬纹菱形格、红绿条带，还有飞天——头部、光环、飘起的衣袖，都能辨认。胡旻说：“壁画下半身没还原出来，我们判断炭黑覆盖之前就已经脱落了。”

▲庄羽轩正在展示扫描到的飞天图案

一口2米的“锅”：

在实验室1:1复刻千年穹顶

实验室最里面的地方，摆着一口弧形“大锅”。直径两米多，弧面朝上，像从石窟顶上切下来的一块。

“这是1:1还原的第161窟穹顶曲率。”胡旻站在锅边，手指划过弧面。上面有几处颜料斑驳的痕迹，旁边散落着几片压成薄片的矿物样本，朱砂和铅丹的边缘泛着暗光。

其团队博士生庄羽轩是这口锅的绘制者之一。他和同门找来克孜尔当地典型的矿物颜料，在弧面上模拟壁画层结构——先涂底色，再画纹样，最后盖炭黑。“曲率必须准，颜料必须对，不然算法练不出来，路径验不了。”

▲庄羽轩正在调试“多模态太赫兹扫描系统”机械臂

为了这口“锅”，庄羽轩和同门跑了好几趟新疆。在克孜尔石窟现场，他们用仪器测量穹顶的曲率数据，再回来一点点复原。弧面上的纹样也不是随意画的，他们对照石窟里暴露在外的残存壁画，尽量还原菱形格的排列方式和色彩分布。

“光绘制这口‘锅’就花了很长时间，炭黑要涂得均匀，太厚了信号穿不过，太薄了又模拟不了真实情况。”庄羽轩说。

他们甚至把单一颜料压成薄片，建了一套太赫兹指纹谱数据库。“朱砂在1.15太赫兹有特征吸收峰，铅丹在1.88太赫兹附近。现场测到对应峰，就能反推是什么颜料。”庄羽轩说，就像每个人指纹不同，每种矿物在太赫兹频段也有自己的“身份证”。

但炭黑层并不老实。它结构松散，太赫兹反射信号复杂。“有时候三个反射峰挨得太近，分不清是炭黑散射，还是底下多了一层颜料。”为这，团队来回做了五六轮大迭代，小优化上百次。实验室的灯常常亮到凌晨，电脑屏幕上的波形图一帧一帧跳动，像心电图一样。

三星堆的铅锡黄之谜：

科技考古正在改写历史

太赫兹在文物上的应用，最早并非壁画。

2019年，胡旻团队与浙江大学、四川省文物考古研究院、三星堆博物馆合作，对三星堆青铜器锈层做三维层析成像，这是全球首次。在三星堆3号坑，团队参与了对青铜残片表面黄色锈蚀的检测。经多种手段交叉验证，该黄色锈蚀为化合物铅锡黄，且在表面分布均匀。

据悉，铅锡黄多为人工制备，生成温度需稳定在800℃左右。14世纪至18世纪，欧洲油画和珐琅器上才大量使用这种颜料。

“如果铅锡黄被证实由古蜀人的工艺制作而成，那么人类使用这种颜料的历史，可能比现有文献记载早3000多年。”胡旻说。

▲团队在克孜尔石窟进行勘测 图据受访者

从青铜器到石窟壁画，场景变了，逻辑没变：都是不碰文物，用太赫兹波去看。但这套多模态系统用到克孜尔，难度上了一个台阶——弧面、高空、炭黑，哪一样都是新问题。

“中国文物太多了，这种场景的需求会越来越大。”胡旻说。他站在实验室里，背后是那口“锅”，面前是正在调试的机械臂。两种设备，一个模拟过去，一个试图穿透过去。

一束“光”离产业有多近：

太赫兹在芯片检测上的探索空间

太赫兹波的想象力，远不止戈壁滩上的石窟。

“太赫兹波能穿透几乎所有半导体材料。晶圆在可见光下是黑的，不透明，但对太赫兹波来说，它是透明的。”胡旻说。

这意味着芯片检测有了新可能。太赫兹波能穿透硅材料，看到芯片内部电子输运的状态。

“晶圆在可见光下是黑的，不透明，但对太赫兹来说，它是透明的。”胡旻说。过去，芯片检测大多停留在表面，像隔着一堵墙猜里面的动静。太赫兹却能直接“透”进去，看到每一层的结构和缺陷。

尤其对3D封装芯片——相当于把原来的平房盖成楼房，层与层之间的检测更难。太赫兹在这方面有独特优势。胡旻提到，华为等企业布局的堆叠芯片方向，很多内部检测技术都可能是太赫兹的用武之地。

半导体之外，机场安检也在推进。太赫兹穿透衣物却不伤人体，能识别隐匿物品和危险品特征谱。生物医学同样是方向之一。目前，团队正与四川大学华西口腔医院合作，研究太赫兹口腔早期龋齿检测仪器，不用拔牙就能看到牙釉质下面的白斑和龋坏深度。

“但目前太赫兹还没走进大众消费市场。”胡旻提醒，“市面上但凡你能买得起的、打着太赫兹功效的产品，基本都是假的。”

眼下，团队完成新一轮算法优化，单点采集从约30秒压缩到十几秒，效率提升一倍以上。9月中下旬，机械臂重返克孜尔。按计划，今明两年要把穹顶可扫描的轮辐区域逐步还原，拼成一幅完整的数字壁画。

▲团队在克孜尔石窟进行勘测 图据受访者

“除了克孜尔，敦煌也有被熏黑的场景。还有墓道里不同时期叠压的壁画层，理论上都能用这套技术去‘翻’。”胡旻站在那口“锅”前，弧面上的炭黑在灯下泛着细碎的光。

那些被时间吞没的图像，正在科技考古的视野里，借着肉眼看不见的光波，慢慢重新显形。

红星新闻记者 赵雨欣 摄影记者 陶轲 部分图据受访者

编辑 成序