繆克佳 卜云 張云飛

摘要通過使用計算機輔助建模和快速成型技術(shù)制作水熊蟲、蜱螨和原尾蟲三類小型土壤動物的模型，探索了3D打印技術(shù)在自然博物館展示中的應用，以期為解決微小動物直觀呈現(xiàn)的問題提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞3D打印 土壤動物 自然博物館

引言

在自然博物館中，微小動物的科學展示是一個長期存在的難題。微小動物，尤其是小型土壤動物，它們的身體大多只有1mm左右，致使人們難以發(fā)現(xiàn)其細微的形態(tài)特征。但由于場館空間等多方面因素的限制，又無法結(jié)合顯微鏡與玻片標本或浸制標本進行展示，加之不能讓觀眾用手觸摸標本，造成教育效果大打折扣。對此，我們決定使用3D打印技術(shù)來解決這個問題。

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。該技術(shù)自20世紀90年代誕生以來，普遍應用于模型制作、文物修復、文創(chuàng)開發(fā)等各個領(lǐng)域。近年來，有國外學者或借此開展關(guān)于海洋微體古生物的分類學研究；或借此從事動物形態(tài)學研究；或借此拍攝關(guān)于土壤動物的科學紀錄片陰。美國史密森博物館等知名博物館都已經(jīng)引進了3D掃描和打印設(shè)備，并開始設(shè)立面向公眾的相關(guān)教育活動，讓那些平常只能透過玻璃觀察的藏品變得觸手可及，可以審視它們的每一個細節(jié)，大大提高了觀眾的參觀興趣。

本研究嘗試通過計算機輔助建模和3D打印技術(shù)，在保證科學性和真實性的前提下，完成水熊蟲、蜱螨和原尾蟲三種小型土壤動物的模型制作，以期為解決微小動物直觀呈現(xiàn)的問題提供一些借鑒，進一步增強自然博物館的展示教育功能。

1材料與方法

1.1研究對象

本研究選取三類土壤中常見的微小動物：水熊蟲、蜱螨和原尾蟲（見表1），分別隸屬于緩步動物門和節(jié)肢動物門。拍攝并搜集這三類動物的顯微照片及視頻資料，保證每類動物至少有6張全方位的照片。同時，在野外采集活體動物，通過顯微鏡觀察其形態(tài)特征和運動特性。

1.2研究方法

本研究根據(jù)顯微照片和視頻資料等，使用計算機輔助建模軟件手工創(chuàng)建微小動物的模型，將二維圖像信息轉(zhuǎn)化為三維模型文件，最后通過3D打印機快速成型。

（1）建模軟件

3D模型的創(chuàng)建主要使用Maya、ZBrush、Magics等三維數(shù)字軟件來實現(xiàn)。其中，Maya由美國Autodesk公司設(shè)計開發(fā)，能通過曲面、多邊形和細分等方式準確地建立3D模型，在模型塑造、場景渲染、動畫制作等領(lǐng)域有著廣泛的應用。ZBrush由美國Pixologic公司設(shè)計開發(fā)，它獨特的數(shù)字雕刻工具使設(shè)計師可以自由地對3D模型進行細節(jié)處理。Mag-ics由比利時Materialise公司設(shè)計開發(fā)，能方便快捷地編輯和修改3D模型的數(shù)字文件，并有效降低打印誤差。

（2）打印設(shè)備

3D模型的打印主要使用聯(lián)泰SLA 3D打印機（RSPro 450）來完成。這臺工業(yè)級3D打印機的成型范圍為450mmx450mmx 350mm，成型精度為±0.1mm（L≤100mm）或±0.1%xL（L>100mm）。使用的打印材料為光敏樹脂（Somos ProtoGen18420）和透明光敏樹脂（Somos WaterShed XC）。

2制作過程

2.1 3D建模

（1）創(chuàng)建基本模型。水熊蟲的基本模型使用了ZBrush軟件中特有的ZSphere建模方式，通過調(diào)整z球的位置和尺寸來表現(xiàn)水熊蟲的體節(jié)，將這些z球連接起來就能創(chuàng)建出水熊蟲的身體輪廓（見圖1a）。蜱螨的基本模型使用了Zbrush軟件中的基本球形幾何體，通過Move和Clay筆刷進行細化使變形的球體與蜱螨的大致模樣相吻合（見圖2a）。原尾蟲的基本模型使用了Maya軟件中的多邊形建模方式，利用基本圓柱體的變形，通過調(diào)整點和線的位置來表現(xiàn)原尾蟲的體節(jié)比例，改變身體的彎曲度來表現(xiàn)原尾蟲的運動姿態(tài)（見圖3a）。

（2）雕刻身體細節(jié)。主要通過ZBrush軟件中的各種筆刷來進行微調(diào)：水熊蟲模型使用了Clay筆刷來表現(xiàn)皮膚的皺褶，還使用了Alpha工具來表現(xiàn)背部的顆粒（見圖1b）；蜱螨模型使用了Alpha工具來表現(xiàn)皮膚的紋理（見圖2b）；原尾蟲模型使用了Move筆刷來調(diào)整體節(jié)的比例（見圖3b）。

（3）添加相應的體節(jié)和器官。首先通過基本幾何體變形來制作微小動物的體節(jié)和器官，再使用Zbrush軟件中Subtool工具把體節(jié)和器官拼接在身體上。水熊蟲模型增加了足、爪、觸須、口器和剛毛（見圖1c）；蜱螨模型增加了足和口器（見圖2c）；原尾蟲模型增加了假眼、腹足和口器（見圖3c）。

（4）輸出模型文件。將微小動物的所有身體部分進行組合，把制作完成的模型保存為STL文件。將STL文件導入Magics軟件中，修補破面并去除重疊部分，減少打印過程中的出錯概率。在工具中選擇抽空模型，設(shè)置打印壁厚為2mm。

2.2 3D打印

將檢查完畢的STL文件導入3D打印機進行打印，制成的模型約為10～20cm。與實物相比，水熊蟲模型的頭部和體節(jié)結(jié)構(gòu)勻稱，觸須、剛毛等細節(jié)分毫不差（見圖4a、4b）；蜱螨模型的表皮條紋清晰，爬行姿態(tài)逼真（見圖4c、4d）；原尾蟲模型的體節(jié)比例準確，假眼、腹足、口器等器官均有表現(xiàn)（見圖4e、4f）。由此可見，3D打印模型能夠真實、科學地反映這三類微小動物的形態(tài)特征，符合博物館展示教育的需要。

3討論

如何制作微小動物的放大模型一直是困擾博物館的一個難題。傳統(tǒng)的模型制作方法需要通過搭架、上泥、雕塑、翻模、澆注等多種工藝，其對工作人員的技術(shù)要求很高，必須具備豐富的經(jīng)驗。同時，此種方法的步驟極為繁瑣，制作周期相當長，單件成本也比較高。近年來，國外開始利用激光共聚焦和微焦點計算機斷層掃描獲取外部輪廓和內(nèi)部臟器的圖像信息，再通過計算機分析和模擬進一步得到立體結(jié)構(gòu)，進行微小動物3D模型的打印制作，取得了一定的成果。但是，昂貴的設(shè)備投入增加了模型制作的成本，卻不能反映預先設(shè)想的行為姿態(tài)，且具有一定的修改難度。因此，這個方法恐怕也缺乏可行性。

如表2所示，結(jié)合計算機輔助建模和3D打印技術(shù)制作微小動物模型是一種相對快速、經(jīng)濟、靈活的方法，尤為適宜用來制作科普展品和教具。其無需借助掃描設(shè)備，在小規(guī)模模型制作中成本優(yōu)勢非常明顯。同時，每個制作環(huán)節(jié)都可以備份，對姿態(tài)、尺寸的大幅度修改也很便捷。

4結(jié)語

今天，信息技術(shù)的高速發(fā)展給博物館行業(yè)帶來了空前的機遇和挑戰(zhàn)，全世界的博物館都在思考如何順利轉(zhuǎn)型以適應新的環(huán)境。隨著技術(shù)的成熟和成本的降低，3D打印日后必將成為博物館的常規(guī)技術(shù)，遍及陳列展覽、科普教育、衍生品設(shè)計等多個方面。未來，3D打印技術(shù)可與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，進而構(gòu)建虛擬博物館，讓觀眾可以不受時間和空間的限制，顯著提升博物館的科學普及水平。