Nghiên cứu mới kết hợp lithophane và in 3D để cho phép các cá nhân 'nhìn thấy' dữ liệu bất kể mức độ thị lực
của Đại học Baylor
Lithophanes in 3D có thể giúp các nhà khoa học khiếm thị "nhìn thấy" dữ liệu, chẳng hạn như từ gel tách protein, bằng đầu ngón tay của họ. Ảnh: Elizabeth Shaw
Một nhóm nghiên cứu do các nhà hóa học của Đại học Baylor dẫn đầu đã thực hiện một bước tiến đột phá trong việc loại trừ các cá nhân bị mù khỏi giáo dục và kinh nghiệm về hóa học. Trong một bài báo được xuất bản ngày hôm nay trên tạp chí Science Advances, các nhà nghiên cứu đã trình bày chi tiết cách họ sử dụng lithophane — một hình thức nghệ thuật lỗi thời — và in 3D để biến dữ liệu khoa học thành đồ họa xúc giác phát sáng với độ phân giải giống như video, cho phép hình dung toàn cảnh về cùng một tác phẩm dữ liệu của cả người mù và người khiếm thị.
Mặc dù lithophane là một phương tiện nghệ thuật cổ đại, nó chưa bao giờ được sử dụng — cho đến nay — để biểu thị dữ liệu khoa học và hình ảnh theo cách định lượng, có kiểm soát để hình dung xúc giác và tích hợp xúc giác.
Nghiên cứu của Baylor, có tiêu đề "Dữ liệu cho tất cả: Đồ họa xúc giác sáng lên với độ phân giải hoàn hảo như hình ảnh", so sánh cách người mù và người khiếm thị diễn giải dữ liệu mêtan bằng xúc giác hoặc thị lực. Nhóm nghiên cứu của những người tham gia đã kiểm tra năm dạng lithophane — điện ảnh gel, ảnh hiển vi, điện tử và khối phổ, và hình ảnh minh họa trong sách giáo khoa — giải thích tất cả năm dạng lithophane bằng cảm giác xúc giác hoặc thị lực với độ chính xác tổng thể là 79%, theo nghiên cứu.
Các nhà nghiên cứu tập trung vào việc tạo ra và kiểm tra các dữ liệu được tìm thấy trong khoa học hóa học vì việc loại trừ rõ ràng và có hệ thống những học sinh bị mù khỏi môn hóa học, điều mà các nhà nghiên cứu lưu ý "có thể được các nhà giáo dục, cha mẹ, bạn bè đồng lứa hoặc chính bản thân họ, coi là một đức tính tốt. cơ sở của sự an toàn trong phòng thí nghiệm và tính chất 'trực quan' của hóa học. "
"Nghiên cứu này là một ví dụ về nghệ thuật làm cho khoa học trở nên dễ tiếp cận và bao trùm hơn. Nghệ thuật đang giải cứu khoa học khỏi chính nó", Tiến sĩ Bryan Shaw, giáo sư hóa học và sinh hóa, người đứng đầu Nhóm nghiên cứu Shaw tại Baylor và là tác giả tương ứng cho biết. trên bài báo trên tạp chí. "Dữ liệu và hình ảnh của khoa học — ví dụ, những hình ảnh tuyệt đẹp xuất hiện từ kính thiên văn Webb mới — không thể tiếp cận được với những người mù. Tuy nhiên, chúng tôi cho thấy rằng đồ họa xúc giác mỏng trong mờ, được gọi là lithophanes, có thể tạo nên tất cả hình ảnh này mọi người đều có thể truy cập bất kể thị lực như thế nào. Như chúng tôi muốn nói, 'dữ liệu cho tất cả.' "
Sử dụng mới cho hình thức nghệ thuật cũ
Có thể được tạo ra ở Trung Quốc vào đầu thế kỷ thứ sáu và phổ biến ở châu Âu vào những năm 1800, lithophanes là những bản khắc mỏng được làm từ vật liệu mờ (đầu tiên là sứ và sáp, bây giờ là nhựa) và ban đầu có vẻ mờ đục trong ánh sáng xung quanh. Tuy nhiên, khi bị ngược sáng bởi bất kỳ nguồn sáng nào — từ đèn trần đến ánh sáng mặt trời — một bóng kính phát sáng giống như một hình ảnh kỹ thuật số, với sự tán xạ ánh sáng qua vật liệu mờ làm cho các vùng mỏng hơn có vẻ sáng hơn và các vùng dày hơn có vẻ tối hơn. Sử dụng phần mềm trực tuyến miễn phí để chuyển đổi một hình ảnh hai chiều sang một bản đồ 3D, các nhà khoa học trong nghiên cứu này đã sử dụng in 3D cho các thạch bản.
“Ý tưởng về lithophanes là một khái niệm mà Tiến sĩ Shaw đã thử nghiệm và tôi nghĩ đó là một cơ hội tuyệt vời để giúp một nhóm cá nhân bị kỳ thị trong lĩnh vực hóa học,” đồng tác giả Jordan Koone cho biết, một ứng cử viên tiến sĩ hóa học tại Baylor và thành viên phòng thí nghiệm của Shaw. "Thật tuyệt vời khi nhìn thấy những người mù, những người đã được cho biết cả đời họ không thể xuất sắc trong các lĩnh vực khoa học, giải thích dữ liệu dễ dàng như một người khiếm thị."
Nhóm người tham gia bao gồm các học sinh bị cận thị có hoặc không có bịt mắt và năm người bị mù đã từng bị mù toàn bộ hoặc thị lực kém từ khi còn nhỏ hoặc thanh thiếu niên. Bốn trong số những người bị mù này đã có bằng Tiến sĩ. bằng hóa học trước khi kiểm tra, và người thứ năm là sinh viên đại học tại Baylor, người đã bị mất thị lực hoàn toàn khi còn là học sinh cuối cấp trung học. Những người mù này là đồng tác giả của nghiên cứu này nhưng không tham gia vào việc thiết kế các bộ dữ liệu cụ thể.
“Trước khi thực hiện dự án lithophane, tôi tin rằng nghiên cứu chỉ giới hạn trong các thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm,” đồng tác giả Chad Dashnaw, một ứng cử viên tiến sĩ hóa học tại Baylor cũng trong phòng thí nghiệm của Shaw cho biết. "Nhưng nghiên cứu chỉ đang cố gắng trả lời những câu hỏi chưa có câu trả lời và công việc của chúng tôi ở đây đang trả lời một câu hỏi rất quan trọng: Liệu người mù có thể là một phần của STEM không? cho những người trước đây đã bị bỏ qua. "
Nghiên cứu cho thấy độ chính xác trung bình của bài kiểm tra cho tất cả năm lithophanes là:
96,7% đối với diễn giải xúc giác mù,
92,2% cho việc giải thích bằng mắt thường của các lithophanes ngược sáng, và
79,8% cho việc giải thích bằng xúc giác bị bịt mắt.
Những người tham gia có thị lực đã có thể giải thích chính xác các hình ảnh kỹ thuật số trên một
màn hình máy tính đạt 88,4% thị lực. Đối với 80% câu hỏi, độ chính xác xúc giác của các nhà hóa học mù bằng hoặc cao hơn so với việc giải thích bằng mắt về các lithophanes, cho thấy rằng lithophanes có thể hoạt động như một định dạng dữ liệu có thể chia sẻ. Trên thực tế, Shaw cho biết một số nhà hóa học mù trong nghiên cứu có độ nhạy xúc giác đến mức họ có thể cảm nhận được các đặc điểm xúc giác của dữ liệu mà những người bị cận khó có thể nhìn thấy chính mình.
'Nhìn thấy' bộ dữ liệu lần đầu tiên
Đồng tác giả nghiên cứu Hoby B. Wedler, Tiến sĩ, một doanh nhân, nhà hóa học và Giám đốc điều hành của Tập đoàn Wedland ở Petaluma, California, lần đầu tiên giải thích dữ liệu lithophane trong một cuộc gọi Zoom với Shaw. Đối với các đồng tác giả nghiên cứu của ông và các nhà hóa học, đây là thời điểm có ý nghĩa nhất khi Wedler, người bị mù bẩm sinh nhưng đã có bằng Tiến sĩ. trong hóa lý thuyết, lần đầu tiên nhìn thấy dữ liệu bằng cách chạm vào đồ họa xúc giác có độ phân giải cao.
“Bạn có thể nhìn vào cái này, và nó giống hệt như những gì tôi cảm nhận được,” Wedler nói. "Tôi chưa bao giờ cảm thấy một thông số kỹ thuật khối lượng. Tôi chưa bao giờ nghĩ rằng tôi sẽ có thể nói chuyện thông qua một tập dữ liệu phân tích như thế này. Bầu trời là giới hạn ở đây."
Shaw cho biết: "Họ rất phấn khích khi cuối cùng cũng được xem dữ liệu và hình ảnh mà họ đã nghe nói đến từ rất lâu. Và họ đã nhìn thấy dữ liệu này. Bởi vì bạn nhìn bằng trí óc chứ không phải bằng mắt", Shaw nói.
Tiến sĩ Hoby Wedler, người bị mù bẩm sinh và có bằng Tiến sĩ. trong hóa học của Đại học California-Irvine, được hiển thị trực quan hóa dữ liệu khoa học bằng cách sử dụng xúc giác của mình trên một lithophane, là đồ họa xúc giác được chuyển đổi từ đồ họa kỹ thuật số. Tiến sĩ Wedler là một trong những đồng tác giả của nghiên cứu. Tín dụng: Tiến sĩ Bryan Shaw
Một trong những đồng tác giả đáng chú ý nhất của nghiên cứu là nhà nghiên cứu và sinh viên đại học Baylor, Noah Cook. Cook đã hoàn thành học kỳ đầu tiên của mình tại Baylor vào mùa xuân vừa qua, mặc dù mất toàn bộ thị lực trong năm cuối trung học.
"Năm đồng tác giả khiếm thị của dự án này là một số cá nhân thú vị và chăm chỉ nhất mà tôi từng có vinh hạnh được làm việc cùng," Dashnaw nói. "Trong nhiều năm, họ đã nghe nói về những thứ như SDS-PAGE hoặc khối phổ. Nhưng họ chưa bao giờ có cơ hội để tự mình quan sát, chứ đừng nói đến việc giải thích nó. Các lithophanes đã cho họ cơ hội đó. Họ có thể giải thích chi tiết chính xác những gì họ đang cảm thấy, và nó hoàn toàn phù hợp với những gì chúng ta đang thấy. "
Khai giảng hóa học từ lớp K-12
Nghiên cứu mới nhất này liên quan đến nhóm của Shaw mở rộng nghiên cứu Baylor nhằm xóa bỏ các rào cản đối với việc học và kỷ luật hóa học đối với học sinh K-12 bị mù hoặc thị lực kém.
Shaw gần đây đã nhận được khoản tài trợ 1,3 triệu đô la từ Viện Y tế Quốc gia (NIH) cho một dự án can thiệp sớm đầu tiên nhằm mở ra công việc trong phòng thí nghiệm và cung cấp thiết bị và tài liệu giáo dục hóa học xúc giác. Kết hợp các phương pháp tiếp cận công nghệ cao và công nghệ thấp, dự án kết hợp công nghệ robot với tài liệu giáo dục và "phương pháp hack trong phòng thí nghiệm" cho phép học sinh khiếm thị và thị lực kém tham gia vào các vai trò và thói quen tương tự như các học viên bị cận thị của họ, bao gồm cả việc sử dụng lithophanes.
"Điều thú vị về đồ họa xúc giác sáng lên với độ phân giải hoàn hảo như hình ảnh là mọi thứ tôi có thể nhìn thấy bằng mắt, một người mù khác có thể cảm nhận được bằng ngón tay của họ. Vì vậy, nó giúp tất cả hình ảnh và dữ liệu có độ phân giải cao đều có thể truy cập được Shaw nói.
Shaw và các cộng tác viên của mình đang tập trung dự án của họ ban đầu vào học sinh trung học bằng cách phát triển một chương trình thí điểm cho 150 học sinh TSBVI tham gia vào giáo dục và chương trình giảng dạy cũng như đào tạo về tài liệu trong khuôn viên trường học và trong phòng thí nghiệm của Shaw tại Baylor. Chương trình thí điểm dự kiến sẽ ra mắt vào mùa thu năm nay, với toàn bộ chương trình dự kiến sẽ bắt đầu vào mùa xuân năm 2023 đến năm 2027. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ mở rộng quy mô chương trình để bao gồm các nguồn tài nguyên dành cho trẻ em mới bắt đầu nghiên cứu khoa học.
Ngoài hóa học Shaw cho biết: Định dạng dữ liệu lithophane hoặc LDF, và dữ liệu cho mọi chuyển động, vượt ra ngoài hóa học hoặc khoa học và có thể được sử dụng cho bất kỳ chủ đề nào, từ nghệ thuật, lịch sử, triết học và bất cứ nơi nào hình ảnh hoặc đồ họa được sử dụng. Với nghiên cứu mới nhất này, con đường dẫn đến dữ liệu có thể chia sẻ và truy cập được dành cho bất kỳ ai có xúc giác.
Đối với các ứng viên tiến sĩ Koone và Dashnaw, nghiên cứu nêu bật một trong những giá trị cốt lõi của Baylor: tạo điều kiện thuận lợi cho việc khám phá kiến thức và nghiên cứu mới nhằm cải thiện nhân loại.
"Hầu hết các nghiên cứu tôi thực hiện hàng ngày sẽ không có tác động đáng kể đến cộng đồng khoa học. Tuy nhiên, dự án lithophane cho phép thay đổi thực tế trong thời gian thực", Dashnaw nói. "Chúng tôi đang làm cho STEM dễ tiếp cận hơn với những người bị suy giảm thị lực và kêu gọi sự chú ý đến việc loại trừ toàn thân của họ."
