Archeolodzy z Uniwersytetu Wrocławskiego połączyli siły z naukowcami z Wydziału Mechanicznego i Wydziału Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii PWr. Wspólne badania m.in. kości niedźwiedzia z nacięciami sprzed około 130 tys. lat czy zdobionego harpuna z poroża sarny wykonanego 5 tys. lat p.n.e. przyniosły nowe odkrycia. Wszystko dzięki wykorzystaniu technicznej tomografii komputerowej i opracowaniu nowej procedury pomiarów.

Na co dzień techniczny tomograf komputerowy na Politechnice Wrocławskiej wspomaga kontrolę jakości wytwarzanych obiektów technicznych oraz służy do badań skomplikowanych „wydruków 3D”, które powstały z wykorzystaniem technik przyrostowych (popularnie nazywanych drukiem 3D).

Dzięki niemu badacze projektujący np. nowe elementy konstrukcji mechanicznych czy personalizowane implanty mogą z bardzo dużą dokładnością sprawdzić, czy to, co wyszło z drukarki 3D, na pewno nie ma żadnych porów czy pęknięć, a wymiary (geometria przedmiotów) są zgodne z założeniami.

Taki tomograf znacznie różni się od tych wykorzystywanych w szpitalach – nie tylko rozmiarem, ale i możliwościami.

– W tomografach medycznych można prowadzić badania z rozdzielczością kilkuset mikrometrów. Techniczna tomografia komputerowa pozwala natomiast na skanowanie próbek z rozdzielczością nawet poniżej 1 mikrometra. Zatem jakość danych, jakie uzyskujemy, jest nieporównywalnie lepsza – opowiada dr inż. Grzegorz Ziółkowski z Katedry Technologii Laserowych, Automatyzacji i Organizacji Produkcji na Wydziale Mechanicznym PWr.

To co znamy znów pod lupą, a właściwie tomografem

Od ponad dziesięciu lat do wnętrza politechnicznego tomografu trafiają nie tylko prototypy i gotowe wyroby gotowe w tym z drukarek 3D, ale i najróżniejsze artefakty pochodzące z odkryć archeologicznych na terenie Polski. To efekt współpracy między badaczami z PWr a archeologami z Uniwersytetu Wrocławskiego*.

Zespół dr hab. Tomasza Płonki, prof. UWr zajął się bardzo dokładnymi badaniami przedmiotów sztuki mezolitycznej w Polsce – artefaktami z kości i poroża, zdobionymi ornamentem. To przedmioty sprzed tysięcy lat, które pozwalają nam poznać kulturę dawnych łowców i zbieraczy żyjących na terenie dzisiejszej Polski.

Do tej pory analizowano je głównie pod kątem walorów estetycznych i stylistycznych, a badania technologii ich wykonania, sposobów zdobienia czy śladów użytkowania prowadzono jedynie na dość ogólnym poziomie. Wynikało to m.in. z ograniczonych możliwości – przed wieloma laty naukowcy mogli korzystać przede wszystkim z prostych metod optycznych czy badań pod mikroskopem.

Teraz – gdy technologie badawcze znacznie się rozwinęły – ponowne analizy mogą dać nam znacznie większą wiedzę o twórcach i użytkownikach tych artefaktów. I tak powtórne badania m.in. w politechnicznym tomografie przeszedł (wśród wielu innych artefaktów) harpun z poroża sarny.

Znaleziono go przypadkowo w 1934 r. Został wydatowany metodą radiowęglową na około 5600 lat p.n.e. i wiąże się z łowcami z okresu młodszego mezolitu. Jego powierzchnia jest bogato zdobiona.

I właśnie te ornamenty, a konkretnie ich szczegółowe analizy, pozwoliły na potwierdzenie, że badania tomografem mogą posłużyć do pozyskiwania bardziej szczegółowych danych. A metoda, opracowana do tych analiz przez naukowców z Politechniki Wrocławskiej, jest skuteczna.

– Wybraliśmy go do badań, bo ma kilka grup ornamentów, bardzo się od siebie różniących i wykonywanych innymi technikami – opowiada prof. Tomasz Płonka. – Połączyliśmy dane uzyskane dzięki technicznej tomografii komputerowej oraz dane z obserwacji mikroskopowych i technik eksperymentalnych i dzięki nim potwierdziliśmy, że sprzęt tomograficzny pozwala na bardziej szczegółowe, obiektywne analizy i mogą być one stosowane także w przypadku innych artefaktów, z różnych okresów.

Specjalnie na potrzeby takich badań naukowcy z Politechniki Wrocławskiej zaproponowali całą procedurę pomiarów powierzchni artefaktów**.

– Użyliśmy narzędzi matematycznych, by „wyprostować” zakrzywioną przestrzeń – tłumaczy obrazowo dr Ziółkowski. – Mając geometrię np. takiego harpuna, czyli jego wymiary w wersji trójwymiarowej, za pomocą specjalnych algorytmów i filtrów metrologicznych, przeszliśmy do geometrii płaskiej. To pozwoliło nam zautomatyzować mierzenie np. głębokości nacięć, ich długości, odległości między nimi, szerokości wcięć itd.

Jak tłumaczy naukowiec, dzięki tej metodzie pomiarów nawet najbardziej skomplikowana i złożona geometria badanego artefaktu nie stanowi już utrudnienia w analizach. Techniczna tomografia komputerowa pozwala w kilka-kilkanaście minut zeskanować taki przedmiot i od razu generuje szczegółowe wyniki pomiarów jego powierzchni.

– I jest to obiektywne i powtarzalne, tzn. że wyniki, jakie otrzymujemy, za każdym razem dla tego samego artefaktu będą takie same. Nie ma tu mowy o pomyłkach czy niedoszacowaniach – tłumaczy dr Ziółkowski.

Dodaje też, że badania prowadzone w ten sposób pozwalają znacznie przyspieszyć analizy takich obiektów.

Ograniczeniem technicznej tomografii komputerowej są jedynie gęstość i wielkość przedmiotów (im gęstsze i większe, tym trudniejsze do zeskanowania) oraz koszty badania (wyższe niż w przypadku bardziej tradycyjnych metod).

Kość najstarszym dziełem sztuki

Jednym z artefaktów przebadanych na Politechnice Wrocławskiej była też  kość niedźwiedzia z nacięciami, odkryta w jaskini Dziadowa Skała*** w Zawierciu w województwie śląskim w latach 50. XX wieku.

Zrobiło się o niej głośno w ostatnim roku, bo zespół archeologów z UWr kierowany przez prof. Tomasza Płonkę i prof. Andrzeja Wiśniewskiego dzięki ponownym badaniom ustalił, że zabytek jest dużo starszy niż do tej pory sądzono.

Powstał około 115–130 tysięcy lat temu, a to sprawia, że jest najstarszym znanym „dziełem sztuki" w Polsce i zarazem najstarszym przejawem myślenia symbolicznego na terenie naszego kraju.

– Kwestię wieku kości ustaliliśmy dzięki innym analizom, ale badania na PWr były kluczowe dla stwierdzenia, że nacięcia na kości nie były przypadkowe, a więc że mamy do czynienia ze zdobieniami lub jakimś rodzajem zapisu – podkreśla prof. Płonka.

Jak tłumaczy archeolog, pomiary z tomografu pokazały, że średnia głębokość nacięć na kości to około 91 mikrometrów, tymczasem przypadkowe nacięcia (powstałe np. przy filetowaniu zwierzyny, gdy oddziela się mięso od kości) mają maksymalnie 20 mikrometrów.

Do tego nacięcia na kości niedźwiedzia są wielokrotnie poprawiane, co potwierdza ich intencjonalność. Stwierdzono też, że jest ich więcej niż wykazały poprzednie analizy sprzed wielu lat (17, a nie 16).

Dane z tomografu i z prowadzonych jednocześnie eksperymentów pozwoliły także określić, że nacięcia powstały przy użyciu dość solidnego narzędzia retuszowanego, czyli ze specjalnie przygotowaną, dosyć szeroką krawędzią tnącą (nie był to więc jakiś przypadkowy odłupek czy fragment krzemienia).

Wykonała je osoba praworęczna, powtarzalnymi ruchami, w jednym kierunku. Naukowcy uważają, że wszystkie znaki na kości powstały w tym samym czasie, a neandertalczyk, nanosił je właśnie jako dekorację albo zapis numeryczny.

Nie tylko archeologia

Prof. Płonka podkreśla, że w Polsce mamy mnóstwo artefaktów z przeszłości, które od wielu lat nie przechodziły ponownych analiz. Wykorzystanie technicznej tomografii komputerowej w połączeniu z innymi nowoczesnymi technologiami badawczymi dostarczy badaczom znacznie więcej informacji na ich temat i może prowadzić do kolejnych wyjątkowych odkryć. On sam ma już w planach następne analizy – tym razem związane z figurkami kultury magdaleńskiej, mającymi około 15 tys. lat.

– Powrót do artefaktów, które teoretycznie już dobrze znamy, bo je przebadaliśmy, to na pewno jeden z ważniejszych kierunków rozwoju współczesnej archeologii – przewiduje prof. Płonka. – Z każdym rokiem mamy dostęp do coraz bardziej zaawansowanych metod analiz, a to otwiera nam duże możliwości.

Dr Ziółkowski zaznacza z kolei, że techniczna tomografia komputerowa może służyć nie tylko do pomiarów nacięć czy zdobień na przedmiotach z przeszłości. Jej zastosowania – w połączeniu z procedurą zaproponowaną przez naszych naukowców – mogą być znacznie szersze.

–  Już zdarzały nam się pomiary m.in. całopalnych urn, fragmentów włóczni, małych mumii czy ludzkich czaszek sprzed około 150 lat – opowiada dr Ziółkowski. – Widzimy więc zainteresowanie takimi analizami nie tylko wśród archeologów, ale i np. antropologów. I jesteśmy bardzo otwarci na taką interdyscyplinarną współpracę. Razem na pewno możemy więcej, więc dobrze, że mamy okazję łączyć siły w zespołach, w których pracują specjaliści z bardzo różnych dziedzin.

*Pierwsze wspólne badania były możliwe dzięki finansowaniu Narodowego Centrum Nauki w ramach grantu „Sztuka mezolityczna w Polsce: znaczenie społeczne i rytualne artefaktów w świetle ich biografii”, nr 2018/29/B/HS3/01162.

**Badania prowadził zespół w składzie: dr hab. Tomasz Płonka, prof. UWr i Marcin Diakowski (Instytut Archeologii UWr), dr inż. Joanna Krupa-Kurzynowska (Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii PWr), Viktoria Hoppe i dr inż. Grzegorz Ziółkowski (Wydział Mechaniczny PWr).

***Te badania prowadzone już były bez finansowania zewnętrznego. Odpowiadał za nie zespół: dr hab. Tomasz Płonka, prof. UWr, dr. hab. Andrzej Wiśniewski, prof. UWr i Marcin Diakowski (Instytut Archeologii UWr), dr hab. Adrian Marciszak, prof. UWr (Zakład Paleozoologii, Wydział Nauk Biologicznych UWr), dr inż. Grzegorz Ziółkowski (Wydział Mechaniczny PWr), Grzegorz Lipecki (Instytut Systematyki i Ewolucji Zwierząt PAN) i Kamil Serwatka.

Szczegóły na temat badań w artykułach naukowych:

„A Middle Palaeolithic incised bear bone from the Dziadowa Skała Cave, Poland: the oldest marked object north of the Carpathian Mountains” - Journal of Archaeological Science,

„Application of computed tomography to the study of Mesolithic portable art: Results, Interpretations and expectations—The case of an ornamented roe deer antler harpoon from Police, north-west Poland” – Archaeometry.

Lucyna Róg