S spektroskopijo in strojnim učenjem do natančne določitve starosti papirja
Kako natančno določiti starost papirja? S tem vprašanjem se je v okviru evropsko financiranega projekta Uncertir ukvarjala dr. Floriana Coppola. Več tednov je presedela v Nuku in s spektrometrom prečesavala strani starih knjig. Ob pomoči strojnega učenja je s kolegi izdelala natančno metodo, uporabno tako za zgodovinske študije kot moderne forenzične preiskave.
Floriana Coppola, raziskovalka v Laboratoriju za dediščinsko znanost Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani, je v sodelovanju z Univerzo v Cagliariju in Narodno in univerzitetno knjižnico v znanstvenem članku, objavljenem v reviji Journal of the American Chemical Society, pokazala, da je mogoče zelo natančno datirati papir iz obdobja med letoma 1850 in 2000. Negotovost datiranja je namreč zgolj dve leti, kar ni možno z nobeno drugo znano metodo.
Pri raziskavi Uncertir so poleg Floriane Coppola sodelovali še Jernej Markelj in Matija Strlič iz Laboratorija za dediščinsko znanost, Luca Frigau in Claudio Conversano s Poslovne in ekonomske fakultete Univerze v Cagliariju in Jasna Malešič iz Narodne in univerzitetne knjižnice Slovenije.
»Zgodovinarji, konservatorji, kustosi zbirk, knjižničarji – raziskovalcem v marsikateri vedi je pomembno, da poznajo natančno starost papirja. Še posebej če ima ta zgodovinsko ali umetnostno vrednost. Kar nekaj je primerov knjig, ki so jih ali jih še radi ponarejajo, tako lahko z datiranjem natančno ugotovimo, ali je avtentična ali pa izvira iz kasnejšega obdobja. Potem so tu še forenziki, tudi ti se pogosto ukvarjajo z datacijo papirja različnih dokumentov,« je na vprašanje, zakaj je pomembno poznati natančno starost papirja, odgovorila raziskovalka.
Od vodnih žigov do radiokarbonskega datiranja
Pri določanju starosti knjigo lahko pogledamo z več vidikov, to so slog vezave, rokopis, vsebina besedila, uporabljeno črnilo, vodni žigi, celo poškodbe in popravki, našteva dr. Coppola. »Nedavna raziskava o vodnih žigih je pokazala veliko natančnost pri datiranju knjig. Je pa seveda težava, da jih nimajo vsi papirji. Večinoma so vodne žige uporabljali v Evropi, pogosteje do 20. stoletja, redkeje kasneje. Hkrati pa se je izkazalo, kot je opozoril raziskovalec Hunter, da so kalupe uporabljali skozi daljše obdobje, tako je lahko negotovost kar 50 let,« pojasnjuje. Papir z vodnimi žigi uporabljamo še danes, predvsem za vrednostne papirje in denar.
Tudi metod za datiranje je sicer kar nekaj, med najbolj znanimi je radiokarbonska, a ta je destruktivna, saj morajo odtrgati košček papirja iz knjige, kar pri dragocenejših primerkih vsekakor ni zaželeno. Prednost nove metode je poleg natančnosti torej tudi njena neporušnost. »Vzorca papirja ni treba odvzeti. Za analizo uporabljamo vir svetlobe iz spektrometra. Z odbojem bližnje infrardeče svetlobe pridobimo spekter lastnosti papirja. Z nadaljnjo uporabo nadzorovanih statističnih metod strojnega učenja pa napovemo lastnosti, ki nas zanimajo, v našem primeru je to datum izida posamezne knjige, kar je dober približek za leto proizvodnje papirja.«
Raziskava je zahtevala podrobno analizo več kot sto knjig v Narodni in univerzitetni knjižnici. »Izbor je bil naključen, vendar reprezentativen. V raziskavi smo se osredotočili na obdobje od leta 1851 do 2000. S spektrometrom sem nato analizirala deset strani posamezne knjige. Starejše knjige so vezane iz različnega papirja in ugotavljali smo, kako variabilnost papirja vpliva na našo metodo. Hkrati pa smo preverjali, kako na našo metodo vpliva razgradnja papirja, zato sem analizirala tudi različne dele strani. Na vsaki strani sem izbrala tri točke za analizo, to so notranji rob knjige, sredina strani in zunanji rob. Ta je, ker je izpostavljen svetlobi, zraku, onesnaževalom, navadno najbolj razgrajen. Za vsako knjigo smo tako zbrali 30 spektrov, skupno torej 3000,« pojasnjuje raziskovalka.
Spektralna analiza je pokazala različne kemijske lastnosti papirja, ki so bile značilne za posamezno leto. Vendar za natančno določanje starosti to ni bilo dovolj, zato so analizi dodali še tri metode strojnega učenja. »Za izdelavo modela smo uporabili najbolj običajno statistično metodo delnih najmanjših kvadratov PLS (Partial Least Squares). Ta metoda je bila pravzaprav bolj za primerjavo, sicer smo se zanašali na dve alternativni metodi, redko uporabljeni v dediščinski znanosti, sta pa pogosti pri obdelavi večje količine podatkov, to sta naključni gozdovi (random forest ali RN) in algoritma k najbližjih sosedov (k-Nearest Neighbors ali kNN). Z metodo PLS smo določili natančnost 12 let, z metodo RN pet in s kNN dve leti.« S kombinacijo spektrov in tremi algoritmi strojnega učenja so ugotovili, ali spremenljivost papirja in naravna razgradnja vplivata na modele datiranja in kako. Pokazalo se je, da so za napovedi pomembne skupne spektralne lastnosti strukture celuloze in proteinov, ne pa razgradnja, ki bistveno ne vpliva na točnost napovedi.
Različne tehnike izdelave papirja
Kot nadaljuje raziskovalka, bi bila vsekakor dobrodošla nadaljnja testiranja. »Čeprav je bil vzorec reprezentativen in se je metoda izkazala za natančno, nismo povsem prepričani, da smo zajeli vse različice papirja v tem obdobju. Obdobje od konca 19. do konca 20. stoletja je namreč glede tehnologije izdelave papirja precej prehodno. Najprej so v tem času papir izdelovali iz bombažnih vlaken in drugih sorodnih materialov, nato so zaradi pomanjkanja bombaža vse bolj kot primarni vir uporabljali les. V moderni dobi pa imamo alkalno odporne papirje, ki so beljeni. Torej je variabilnosti veliko. V naši raziskavi smo zajeli večinoma evropske knjige – slovenske in druge slovanske, nemške, italijanske. Metodo bi lahko preizkusili in preverili še na knjigah iz drugih knjižnic, prav tako na papirjih, ki se uporabljajo za grafična dela.« Dodaja še, da je papir iz preučevanega obdobja tudi močneje podvržen razgradnji. »To je pravzaprav zelo zanimivo obdobje, če preučujemo lastnosti papirja. V knjižnicah so knjige iz 16. stoletja, ki so v boljšem stanju kot nekatere s konca 19. stoletja. To je posledica tako različnih surovin kot načinov izdelave. Takrat so testirali različne načine izdelovanja in niso vsi poskusi uspeli, zato določen papir že po slabih sto letih ni več v dobrem stanju.«
Če bi želeli razviti model za knjige iz drugih obdobij, bi morali osnovni postopek raziskave ponoviti. »Znova bi morali pridobiti spektre in jih obdelati s statističnimi metodami. Za vsak model seveda potrebujemo referenčne podatke,« pojasnjuje dr. Coppola. Raziskave, pri katerih bodo sodelovali Narodna in univerzitetna knjižnica, Laboratorij za dediščinsko znanost Univerze v Ljubljani, dunajska Akademija za lepe umetnosti, samostan Klosterneuburg in praška Narodna knjižnica, se bodo nadaljevale v projektu Ancient Book Crafts ali ABC. Razvijali bodo metodo neporušnega datiranja srednjeveških rokopisov in inkunabul. »Za raziskovanje potenciala neporušnih spektroskopskih metod bo projekt ABC raziskoval, validiral in ovrednotil robustnost datiranja na podlagi infrardeče spektroskopije,« navajajo v opisu projekta na spletni strani laboratorija. Med drugim nameravajo v projektu zbrati obsežno zbirko podatkov o predmetih iz pergamenta, papirja, črnila, usnja in drugih tipičnih materialov v štirih sodelujočih zbirkah dediščine, cilj je razviti komplete za umerjanje in validacijo, pa tudi datirati predmete neznane starosti.
Dr. Floriana Coppola še pravi, da je potencialnih aplikacij raziskave, ki jo je vodila, kar nekaj. »Naš model smo usmerjali v določanje starosti, teoretično menim, da bi lahko določali tudi kraj, od koder papir izvira. Vemo, da obstajajo lokalne razlike med papirji iz različnih regij. Zagotovo ima orientalski papir, s katerim se denimo ukvarja kolega, drugačne lastnosti kot evropski.«
Raziskovalka je za svojo študijo pridobila financiranje iz evropskega sklada Marie Skłodowska-Curie za dve leti. Floriana Coppola je sicer iz Neaplja. Po magistrski nalogi o okoljski presoji in upravljanju knjižnic se je raziskovalno posvetila znanosti o dediščini. Za doktorsko disertacijo je med drugim raziskovala razgradnjo zgodovinskih in sodobnih papirjev s porušnimi in neporušnimi analiznimi tehnikami. Doktorirala je leta 2019 na Univerzi v Bologni. »Med doktoratom sem odšla tudi na izmenjavo na Univerzitetni kolidž v Londonu, tam sem se seznanila s prof. Matijem Strličem, ki zdaj vodi Laboratorij za dediščinsko znanost,« pripoveduje sogovornica. Tako je raziskovalno pot nadaljevala v Ljubljani. »Tu sem leto in pol, okolje je zelo stimulativno, raziskave so vrhunske in vsekakor bi želela delati pri novih projektih v naši skupini.«
Interdisciplinarno področje
V Laboratoriju za dediščinsko znanost na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo je 18 raziskovalk in raziskovalcev. To je zelo interdisciplinarno področje, poudarja njegov vodja Matija Strlič. »S kar nekaj različnimi raziskavami se ukvarjamo. V okviru Odoteke rekonstruiramo vonje muzejskih predmetov in umetnin. Drugi zanimiv projekt zadeva razgradnjo zgodovinskih plastičnih materialov. Te uporabljajo v modernem obdobju za arhitekturno dediščino, oblikovanje, sodobno umetnost. V tem projektu sodelujemo s francoskim centrom Pompidou in ameriško skupnostjo muzejev Smithsonian. Zelo pomemben evropski projekt Arche se osredotoča na razvoj strategij in platforme za dediščinsko znanost za naslednje desetletje. To je strateško in politično pomemben projekt, pri katerem sodelujejo številna evropska ministrstva s področij znanosti in kulture, naše odločevalce se še trudimo prepričati v pomen evropskega povezovanja na našem področju. Vse kulturne dediščine zaradi okoljskih sprememb ne bomo mogli zaščititi, zato so pomembne skupne raziskave in odločitve, področje pa je strahotno podhranjeno. Ogromno sredstev bo potrebno, če bomo še naprej klimatizirali zbirke na enak način, zato moramo danes sprejeti ukrepe, da nas ne bo bolelo čez 50 let,« poudarja dr. Strlič.
