视障科学家怎么做科研？3D打印来助力，论文还发表在Science子刊上

来源science.org

导读

全球大概有22亿人存在视力障碍或失明，这些视力障碍的人生活起居比正常人困难许多，但你可能很难想象，在这个大群体中不乏一些能力极强的科研工作者。

那么问题来了，视障科学家是怎么做科研的？

在以往的科研过程中，这些视障科学家可以通过文本阅读器来阅读文献，但是文本阅读器普遍存在一个问题——它们无法准确读出文献中的图像和数据。因此，视障科学家的科研工作困难重重。

如果有一种方法能向视障科学家传达视觉数据，会让他们的科研工作变得简单很多，如今3D打印的数据和图像出现了，它会改变视障科学家的科研未来吗？

3D打印技术早已广为人知。最近，《科学·进展》（Science Advances）杂志上的一篇论文给视力有缺陷的科学家提供了一个好消息：短短几分钟内，就可以将数据和图像通过3D打印传达给视障科学家。

那么，这项立足于3D打印技术、并登上《科学·进展》的研究具体是怎么回事？

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妙不可言：古老艺术结合可视化数据

2022年8月17日，4位视障科学家和美国贝勒大学生物化学家布莱·恩肖（Bryan Shaw）合作，完成了这项研究，并且将研究成果发表在《科学·进展》杂志上，题为“Data for all： Tactile graphics that light up with picture-perfect resolution”。

研究人员指出，此前视障者无法阅读实验或文献中数据和图像的问题，使得视障科学家和视力正常的科学家之间的沟通变得困难，因此需要有一种二者都能看懂的可视化数据格式，来呈现科研数据和图像。

于是，研究人员将图形数据3D打印成不仅很薄、还可以触摸的“卡片”，通过透光浮雕效应，在带有前照灯的情况下可以像视频图像一样发光，这种透光浮雕数据格式能够普遍地将数据可视化，视力障碍不再是科学家阅读图像和数据的限制了。

一些图案的透光浮雕3D打印成品，图片来源：science.org

什么是透光浮雕效应？研究人员介绍，它可以理解为一种非常薄的半透明版画。当它们背后有光线时，你可以看到较厚的区域较暗，而较薄的区域看起来更亮，因此视力正常这可以观看到上面的图案，而视障者也可以通过触摸来感受到图案。

打个更贴近生活的比方，中国古代的瓷艺技术高超，当瓷器做得足够薄时，上面的浮雕就可以在有光的情况下明暗分明，展示出视觉可见的浮雕效果。

宋代湖田窑影青釉暗刻蕉叶纹荷叶盖罐，图片来源：artist.zxart.cn/

这就是这项研究的原理，是不是很神奇？实际上，即使透光浮雕效应在中国有上千年的历史、在17世纪的欧洲也早已出现这种艺术，但是从没有人想过将这门艺术与可视化数据结合起来。

我们了解了3D打印帮助视障科学家做科研的方式，再来探究一下这项研究具体是怎么进行的。

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3D打印：高精确度、高分辨率、高度可控

在这项研究中，研究人员使用小型3D打印机打印出SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳的数据，随后又制造了其他四种数据类型的透光浮雕版：蝴蝶鳞片扫描电子显微镜图、蛋白质分子质谱图、血红素蛋白的紫外可见光谱、七链β折叠蛋白二级结构拓扑图。

SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳数据及其3D打印效果 图片来源：science.org

蝴蝶鳞片扫描电子显微镜及其3D打印效果 图片来源：science.org

蛋白质分子质谱图及其3D打印效果 图片来源：science.org

血红素蛋白的紫外可见光谱及其3D打印效果 图片来源：science.org

七链β折叠蛋白二级结构拓扑图及其3D打印效果 图片来源：science.org

随后，研究人员将受试对象分为3组进行测试，在不同的受试条件下对以上的5种数据进行测试，受试者根据自己的理解来回答研究人员准备的相关问题：

1.第一组是5名视障人员和蒙上眼睛的106名视力正常的人员，他们要通过触摸来解释3D打印的透光浮雕版上的数据；

2.第二组是没有蒙住眼睛的106名视力正常人员，他们要通过视力来解释3D打印的透光浮雕版上的数据；

3.第三组是没有蒙上眼睛的视力正常人员，他们要通过视力来解释计算机上的原始图像。

经过测试发现，第一组中视障人员通过触摸解释的正确率为96.7%、视力正常人员的为79.8%，第二组正确率为92.2%，第三组为88.4%。通过三组测试数据之间的对比，研究人员得出结论：3D打印的透光浮雕版可以作为一种可视化的数据格式。

随后，研究人员扩展思路，将膨胀成型技术用于数据可视化研究，即用一种称为“膨胀纸”的专用纸来制作柔软的泡沫状可触图案。这种方法比3D打印的透光浮雕版速度更快，但是无法像3D打印那样获得高精确度、高分辨率、高度可控的图案。

值得一提的是，这项研究的5名视障受试者中，有4名不仅是这篇论文的合着者，还获得了化学博士学位。作为这项研究的研究人员和受益者，他们对研究成果有哪些看法？

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研究人员：问题迎刃而解

这篇论文发表当天，Science Careers采访了其中三位作者：康涅狄格大学古伯曼-普费弗（Guberman-Pfeffer）、布莱恩肖和波斯顿东北大学莫娜·明卡拉（Mona Minkara），其中普费弗和明卡拉是视障者。

古伯曼-普费弗正在通过触摸来阅读3D透光浮雕版上的信息 图片来源：science.org

明卡拉表示，这项研究的创新之处在于，他们利用1000多年前发明的古老技术，让盲人能够接触到化学，这种创新让一些本来很复杂的信息变得很容易获得。

明卡拉说，他的学生不是盲人，但是他自己是。因此他们之间的沟通会变得复杂，但是有了这个3D打印的透明浮雕版，他就可以让学生给他打印出数据，他们就可以无障碍地沟通同一条信息了。

普费弗则表示，当自己还是一个学生时，由于他看不见教授画的图表，他和教授之间的沟通十分困难。“这就像一个杂技表演，一个人蒙着眼睛，另一个人举着一个物体，并希望蒙着眼睛的人能说出这个物体是什么，并且描述物体的形状。”普费弗回忆道。但是3D打印的透明浮雕版让这个问题迎刃而解。

未来3D打印的透明浮雕版或许可以造福更多的视障者，帮助更多视障科学家顺利进行他们的科研活动，解决视障科学家与其他科学家之间的沟通问题，让科学研究能够更加公平地面向所有人。

参考资料

1.How 3D printing could help blind researchers ‘see’ data. Science Careers.

https：//www.science.org/content/article/how-3d-printing-could-help-blind-researchers-see-data

2.Data for all： Tactile graphics that light up with picture-perfect resolution. Science Advances.

https：//www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq2640