Des lithophanies imprimés en 3D peuvent aider les scientifiques souffrant de déficience visuelle à « voir » du bout des doigts des données provenant, par exemple, de gels de séparation de protéines.
Des scientifiques utilisent une forme d’art ancienne et l’impression 3D pour réaliser une avancée majeure dans l’élimination de l’exclusion des personnes aveugles ou malvoyantes de la chimie et des autres sciences de la vie.
Une équipe de recherche dirigée par des chimistes de l’université Baylor aux Etats-Unis a fait un pas en avant décisif pour éliminer l’exclusion des personnes aveugles de l’enseignement et des expériences en chimie. Dans un article publié aujourd’hui dans Science Advances, les chercheurs expliquent comment ils ont utilisé la lithophanie – une forme d’art ancienne – et l’impression 3D pour transformer des données scientifiques en graphiques tactiles qui brillent avec une résolution semblable à celle d’une vidéo, permettant ainsi aux aveugles et aux voyants de visualiser universellement le même élément de données.
Bien que la lithophanie soit un support artistique ancien, elle n’a jamais été utilisée – jusqu’à présent – pour représenter des données et des images scientifiques de manière quantitative et contrôlée pour la visualisation et l’intégration tactiles.
Une lithophanie est une image tridimensionnelle qui varie en fonction de l’intensité et de la qualité de la lumière qui l’éclaire. Les zones lumineuses sont très fines, ce qui permet de laisser passer plus de lumière, et les parties plus épaisses apparaissent plus sombres.
Les lithophanies datent des années 1800. Elles étaient sculptées dans de la cire, moulées en plâtre, puis moulées à la cire perdue en porcelaine. Entre-temps, la photographie a été inventée et a permis de capturer des instants, mais maintenant, l’impression 3D nous permet de combiner le meilleur des deux.
L’étude Baylor – « Des données pour tous : Tactile graphics that light up with picture-perfect resolution » – a comparé la façon dont les aveugles et les voyants interprétaient les données des lithophanies au toucher ou à la vue. Les cohortes de participants ont testé les cinq formes de lithophane – électrophérogrammes sur gel, micrographies, spectres électroniques et de masse, et illustrations de manuels scolaires – et ont interprété les cinq lithophanies par le toucher ou la vue avec une précision globale de 79 %, selon l’étude.
Les chercheurs se sont concentrés sur la création et le test de lithophanies de données trouvées dans les sciences chimiques en raison de l’exclusion explicite et systématique des étudiants aveugles de la chimie, ce qui, selon les chercheurs, « peut être considéré comme une vertu par les éducateurs, les parents, les pairs ou soi-même, sur la base de la sécurité en laboratoire et de la nature « visuelle » de la chimie ».
« Cette recherche est un exemple de l’art qui rend la science plus accessible et inclusive. L’art sauve la science d’elle-même », a déclaré Bryan Shaw, docteur en chimie et en biochimie, qui dirige le groupe de recherche Shaw à Baylor et est l’auteur correspondant de l’article. « Les données et les images de la science – par exemple, les images stupéfiantes provenant du nouveau télescope Webb – sont inaccessibles aux personnes aveugles. Nous montrons cependant que de minces graphiques tactiles translucides, appelés lithophanies, peuvent rendre toute cette imagerie accessible à tous, quelle que soit la vue. Comme nous aimons le dire, « des données pour tous ».
Une nouvelle utilisation pour une ancienne forme d’art
Probablement créées en Chine dès le sixième siècle et popularisées en Europe dans les années 1800, les lithophanies sont de fines gravures réalisées dans des matériaux translucides (d’abord la porcelaine et la cire, aujourd’hui le plastique) et apparaissent initialement opaques à la lumière ambiante. Cependant, lorsqu’il est rétroéclairé par une source lumineuse quelconque – d’un plafonnier à la lumière du soleil – le lithophanie brille comme une image numérique, la diffusion de la lumière à travers le matériau translucide faisant apparaître les régions les plus fines en plus clair et les régions les plus épaisses en plus foncé. À l’aide d’un logiciel en ligne gratuit permettant de convertir une image bidimensionnelle en une topographie en 3D, les scientifiques de cette étude ont utilisé l’impression 3D pour les lithophanies.
« L’idée des lithophanies était un concept avec lequel le Dr Shaw s’était amusé, et j’ai pensé que c’était une occasion formidable d’aider un groupe de personnes qui ont été stigmatisées dans le domaine de la chimie », a déclaré le co-auteur principal Jordan Koone, candidat au doctorat en chimie à Baylor et membre du laboratoire de Shaw. « C’est formidable de voir des aveugles à qui l’on a dit toute leur vie qu’ils ne pouvaient pas exceller dans les domaines scientifiques interpréter des données aussi facilement qu’une personne voyante. »
Les cohortes de participants comprenaient des étudiants voyants, avec ou sans bandeau, et cinq personnes aveugles qui ont connu la cécité totale ou la basse vision depuis l’enfance ou l’adolescence. Quatre de ces personnes aveugles ont obtenu un doctorat en chimie avant le test, et la cinquième personne est un étudiant de premier cycle à Baylor qui a connu une perte totale de la vue en tant que senior au lycée. Ces personnes aveugles sont coauteurs de cette étude mais n’ont pas participé à la conception des ensembles de données spécifiques.
« Avant de travailler sur le projet lithophanie, je croyais que la recherche se limitait aux expériences réalisées en laboratoire », a déclaré le co-auteur principal, Chad Dashnaw, candidat au doctorat en chimie à Baylor, également dans le laboratoire de Shaw. « Mais la recherche ne fait qu’essayer de répondre à des questions sans réponse, et notre travail ici répond à une question très importante : Les aveugles peuvent-ils faire partie des STEM ? Les lithophanies fournissent un format de données qui peut être universellement partagé entre les voyants et les aveugles, ce qui rend les STEM plus accessibles à ceux qui étaient auparavant négligés. »
L’étude a révélé que la précision moyenne des tests pour les cinq lithophanies était de :
- 96,7 % pour l’interprétation tactile en aveugle,
- 92,2% pour l’interprétation visuelle des lithophanies rétro-éclairés et
- 79,8 % pour l’interprétation tactile en aveugle.
Les participants voyants ont été capables d’interpréter avec précision les images numériques sur un écran d’ordinateur à 88,4% par la vue. Pour 80 % des questions, la précision tactile des chimistes aveugles était égale ou supérieure à l’interprétation visuelle des lithophanies, ce qui suggère que les lithophanies pourraient fonctionner comme un format de données partageable. En fait, Chad Shaw a déclaré que certains des chimistes aveugles participant à l’étude avaient une sensibilité tactile telle qu’ils pouvaient sentir des caractéristiques tactiles des données que les personnes voyantes pouvaient à peine voir elles-mêmes.
« Voir » les ensembles de données pour la première fois
Le coauteur de l’étude, Hoby B. Wedler, Ph.D., entrepreneur, chimiste et PDG du Wedland Group à Petaluma, en Californie, a interprété pour la première fois les données sur les lithophanies lors d’un appel Zoom avec Shaw. Pour les coauteurs de son étude et ses collègues chimistes, il s’agissait d’un moment des plus significatifs puisque Wedler, aveugle de naissance mais titulaire d’un doctorat en chimie théorique, a vu des données pour la première fois en touchant des graphiques tactiles à haute résolution.
« Vous pouvez regarder cela, et cela ressemble exactement à ce que je ressens », a déclaré Hoby Wedler. « Je n’ai jamais senti un spectromètre de masse. Je n’ai jamais pensé que je serais capable de parler à travers un ensemble de données analytiques comme cela. Le ciel est la limite ici ».
VIDÉO (EN ANGLAIS) : Le Dr Hoby Wedler, aveugle de naissance et titulaire d’un doctorat en chimie de l’Université de Californie-Irvine, visualise des données scientifiques en utilisant son sens du toucher sur une lithophanie, qui sont des graphiques tactiles convertis à partir de graphiques numériques. Le Dr Wedler est l’un des co-auteurs de l’étude. Vidéo reproduite avec l’aimable autorisation du Dr Bryan Shaw.
« Ils étaient si excités de voir enfin les données et les images dont ils avaient entendu parler depuis si longtemps. Et ils ont effectivement vu ces données. Parce que vous voyez avec votre esprit, pas avec vos yeux », a déclaré Bryan Shaw.
L’un des co-auteurs les plus remarquables de l’étude est Noah Cook, étudiant de premier cycle et chercheur à Baylor. Noah Cook a terminé son premier semestre à Baylor au printemps dernier, bien qu’il ait perdu toute sa vision pendant sa dernière année de lycée.
« Les cinq coauteurs aveugles de ce projet comptent parmi les personnes les plus intéressantes et les plus assidues avec lesquelles j’ai eu le plaisir de travailler », a déclaré Chad Dashnaw. « Pendant des années, ils ont entendu parler de choses comme le SDS-PAGE ou les spectres de masse, mais ils n’avaient jamais eu l’occasion d’en observer un par eux-mêmes, et encore moins de l’interpréter. Les lithophanies leur ont donné cette opportunité. Ils ont pu expliquer en détail ce qu’ils ressentaient exactement, et cela correspondait parfaitement à ce que nous voyions. »
Ouvrir la chimie aux élèves de la maternelle à la terminale
Cette dernière étude impliquant le groupe de Shaw prolonge la recherche de Baylor visant à supprimer les obstacles à l’étude et à la discipline de la chimie pour les élèves de la maternelle à la 12e année atteints de cécité ou de basse vision.
Shaw a récemment reçu une subvention de 1,3 million de dollars des National Institutes of Health (NIH) pour un projet d’intervention précoce, le premier du genre, qui ouvre les travaux de laboratoire et fournit du matériel et des équipements tactiles pour l’enseignement de la chimie. Combinant des approches high-tech et low-tech, le projet associe la robotique et la technologie à du matériel pédagogique et à des « bidouillages de laboratoire » qui permettent aux élèves aveugles et malvoyants de participer aux mêmes rôles et routines que leurs homologues voyants, notamment l’utilisation de lithophanies.
« Ce qui est intéressant avec les graphiques tactiles qui s’illuminent avec une résolution parfaite, c’est que tout ce que je peux voir avec mes yeux, une autre personne aveugle peut le sentir avec ses doigts. L’imagerie et les données en haute résolution deviennent ainsi accessibles et partageables, quelle que soit la vue. Nous pouvons nous asseoir avec n’importe qui, aveugle ou voyant, et parler exactement de la même donnée ou image », a déclaré M. Shaw.
La subvention de cinq ans, accordée en partenariat avec la Texas School for the Blind and Visually Impaired (TSBVI) d’Austin, est financée par le programme SEPA (Science Education Partnership Award) des NIH, qui encourage les projets scientifiques, technologiques, d’ingénierie et mathématiques (STEM) pour les enfants de la maternelle à la 12e année.
Shaw et ses collaborateurs concentrent initialement leur projet sur les élèves du secondaire en développant un programme pilote pour 150 élèves de TSBVI qui participeront à l’éducation et au programme d’études et se formeront au matériel à la fois sur le campus de l’école et dans le laboratoire de Shaw à Baylor. Le programme pilote devrait être lancé cet automne, et le programme complet devrait commencer au printemps 2023 jusqu’en 2027. À l’avenir, l’équipe espère étendre le programme pour y inclure des ressources destinées aux enfants qui commencent tout juste à étudier les sciences.
Au-delà de la chimie
Le format de données lithophanie ou LDF (Lithophane Data Format), et les données pour tous les mouvements, vont au-delà de la chimie ou de la science et peuvent être utilisés pour n’importe quel sujet, de l’art, l’histoire, la philosophie et partout où l’imagerie ou les graphiques sont utilisés, a déclaré Shaw. Grâce à ces dernières recherches, la voie vers des données partageables et accessibles est ouverte à toute personne dotée de sens tactile.
Pour les doctorants Koone et Dashnaw, ces recherches mettent en lumière l’une des valeurs fondamentales de Baylor : faciliter la découverte de nouvelles connaissances et la recherche pour l’amélioration de l’humanité.
« La plupart des recherches que je fais au quotidien n’auront pas un impact significatif sur la communauté scientifique. Cependant, le projet lithophanie permet d’apporter des changements réels en temps réel », a déclaré M. Dashnaw. « Nous rendons les STEM plus accessibles aux personnes atteintes de déficience visuelle et nous attirons l’attention sur leur exclusion systémique. »
