LES NOUVEAUX OUTILS ET METHODES POUR LA MISE AU POINT D’INSTRUMENTS À COÛT ABORDABLE POUR LES

SCIENCES EXPÉRIMENTALES

François PIUZZI

Ex- physico-chimiste et ex-président du groupe « Physics for Development » de la Société Européenne de Physique

Responsable de la commission Physique sans Frontière de la SFP

Fondateur du prix d’instrumentation en Chimie-Physique (SCF SFP)

Bioinspiration GEIGER Open source

ETAT DES LIEUX

Beaucoup des pays en développement souffrent d’un manque d’instruments scientifiques:

Pour l’enseignement au lycée

Pour les travaux pratiques des premiers cycles universitaires

Pour la recherche

Pour la mesure de paramètres importants pour la caractérisation des problèmes sociétaux.

Le développement d’expériences in silico ou in internet (ainsi que des MOOCS) bien qu’il soit important (quand la vitesse de communication est bonne) ne peut remplacer l’acte essentiel de la mesure, avec la prise en compte :

des difficultés liées à l’environnement,

L’étalonnage, la reproductibilité,

La comparaison par rapport à des standards bien définis

La sensibilité

La sélectivité

Et surtout la conception et le développement de l’instrument!!

Et l’indépendance !!

EVOLUTIONS RECENTES La révolution numérique a permis l’apparition des méthodes participatives ou

collaboratives. Mouvement Open Source et Fab Lab Plateforme Arduino pour l’électronique Microordinateurs Raspberry Pi Recyclage de composants de haute technologie (domaine de la photonique) qui peuvent

être trouvés dans les produits de grande consommation comme les accessoires informatiques, imprimantes, scanners, lecteurs de DVD, souris, disques durs…

Sources de lumière économiques et miniature les LEDs Démocratisation de l’impression 3D et d’autres outils comme la découpeuse laser. - possibilités de prototypage rapide. - échange facile de projets (numérique) Apparition de nouvelles technologies, nanotechnologies, microfluidique, etc.. Les raccourcis technologiques Développement des outils de modélisation numérique. Echange et circulation des informations par internet trans et multi disciplinarité

facilitées. Disponibilité des logiciels libres: Traitement d’images, Linux, GNU, etc…

Conception de l’instrumentation facilitée C’est l’utilisation de l’ensemble de ces avancées qui permet l’expression de la créativité et de concevoir des instruments scientifiques à coût abordable.

Cependant cela ne s’applique pas à tous les domaines scientifiques et demande de très bonnes connaissances scientifiques et technologiques.

Mais la réduction des coûts a le vent en poupe : le budget de la mission de l’agence spatiale indienne pour Mars a été inférieur au budget du film Gravity

RACCOURCIS TECHNOLOGIQUES

Source : Getty images

RÉCUPÉRATION DE COMPOSANTS DE HAUTE TECHNOLOGIE

Le lecteur de CD ou DVD : Engrenages, Moteurs pas à pas Lasers Pièces optiques : miroirs semi transparents, lentilles, etc.. Tout est bon!!

Semi transparent mirror

LasersStepper motor

Lens

Semi transparentmiror

LE DIAPASON EN SCIENCES EXPÉRIMENTALES

Ulrich Platt : Ex directeur de l’Institut de l’environnement de l’université de Heidelberg Détection low cost de SO2, NO2.. avec diodes laser (ex: blue ray) et même LEDs

Microscopie en champ proche : microscope a force atomique

Jean Michel Friedt CNRS Labo Femto Besançon (images BUP)

Utilisation d’un composant produit en masse et détourné de son utilisation d’origine

Photoacoustique: mesure de gaz polluants dans l’environnement

UTILISATION DES LEDS POUR L’IMAGERIE MULTISPECTRALE

• Microscopie multispectrale: application à la détection de globules infectés par la malaria; Mikkel Bridegaard, Aboma Merdasa, (Univ. Lund Suède), Jérémie Zoué (Côte d’Ivoire).

• Jeremie Zoueu Lund

Detection des globules rouges infestés par la Malaria à partir des données multispectrales

FABRICATION DE TESTS DE DÉTECTION SUR PAPIER DIRECTEMENT AVEC UNE IMPRIMANTE JET D’ENCRE

Empowering Community Health Workers with Inkjet Printed Diagnostic Test Strips Allison Ranslowa,b, Daniel Cromptona,b, Khanjan Mehtaa*, Peter Butlerb, Jim Adairb aHumanitarian Engineering and Social Entrepreneurship (HESE) Program. The Pennsylvania State University, 213U Hammond Building,University Park, PA 16802, USA Biomedical Engineering Department, The Pennsylvania State University, 230 Hallowell Building, University Park, PA 16802, USA

IMPORTANCE DE L’APPROCHE « OPEN HARDWARE » pour les « labos impécuniers »

LABORATORY HARDWARE AND RESEARCH EQUIPMENT

Source: http://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/science-for-all-how-to-make-free-open-source-laboratory-hardware/

Un atelier GOSH (Global Open Science Hardware) a été récemment organisé (2au 6 mars) au CERN http://openhardware.science/ Plusieurs structures qui développent des instruments et de l’équipement de laboratoire étaient présents Entrefilet dans la revue Nature « News in Focus » NATURE | VOL 531 |148 10 MARCH 2016

LES APPORTS DE LA SCIENCE COLLABORATIVE

ECHOSCOPE OPEN SOURCE

Développé par ECHOPEN Fab Lab Associatif Hôtel Dieu PARIS

FRUGALITE POUR LE DOMAINE MEDICAL

PROJET IRM A BAS COUT (HARVARD)

Mathieu Sarracanie et al. Dans l’équipe de Matthew Rosen au Martinos Center (Harvard / MIT, Massachusetts General Hospital Charlestown, Etats-Unis) Nature Scientific Reports (5 october 2015) http://www.nature.com/articles/srep15177 Fait des images avec des aimants de 6,5 mT au lieu de 1 à 3 T pour les instruments commerciaux! La résolution est plus basse (2.5 x 3.5 x 8.5 mm3 )

que pour un IRM du commerce (1 x 1 x 5 mm3) mais est suffisante pour un pré diagnostic Est ce que ce projet pourra démocratiser l’IRM? Permet d’avoir une architecture ouverte “non stressante”

RADIOGRAPHE X POUR PAYS A FAIBLES RESSOURCES

GlobalDiagnostiX Pristem EssentialTech EPFL www.essentialtech.epfl.ch Prix prévu: 50 000 € avec 10 années de maintenance

@francoispiuzzi

EQUIPEMENT DE LABORATOIRE (CHIMIE et BIOLOGIE)

• Différents équipements pour les laboratoires de chimie ou de biologie peuvent être conçus et fabriqués avec des méthodes “ low cost” :

• propipettes fabriquées par impression 3D : Précises jusqu’au microlitre, Domaine et précision adaptables Source : http://www.thingiverse.com/thing:255519

MATÉRIEL DE LABORATOIRE ET EQUIPMENTS POUR LA RECHERCHE

Pinces optiques

Spectromètres

Turbidimètres

Microscopes

Micro balance à quartz

Détecteur de champ électrique

Compteur Geiger

Centrifugeuses à partir de disques durs

A one-piece 3D printed flexure translation stage for open-source microscopy

Article : REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 87, 025104 (2016)

Département de Physique de l’Université de Cambridge (2016)

Résolution du déplacement: <µm sur une surface de 8x8x4 mm

APPORT DES SMARTPHONES ET DE LA SCIENCE CITOYENNE Le smartphone cache bien qu’il est un instrument scientifique puissant: Générateur de son, de lumière.. Capteurs de son, de lumière, de température, accéléromètres, gyroscope. Peut réaliser des électrocardiogrammes, Connaissance de la Position : GPS cartographie Les possibilités de calcul pour le traitement des résultats des mesures Enfin la communication sans fil!! Travaux pratiques de mécanique à l’université de Grenoble Prof Joël Chevrier + MOOC Sa large diffusion en fait un instrument idéal (pas encore low cost) pour la science citoyenne. Pays Bas : mesure de la concentration d’aérosols sur tout le territoire du pays, décliné ensuite en projet européen, http://ispex.nl/en/ (8000 personnes équipées) USA application réalisée par l’APS SpectraSnapp (téléchargeable gratuitement) qui transforme le smartphone en un spectromètre. SCIENCE CITOYENNE: USA une structure associative « Public Lab » conçoit et construit des instruments des instruments scientifiques pour des mesures sur l’environnement. JAPON : réalisation par une ONG d’un compteur Geiger open source pour palier la pénurie après Fukushima

UNE METHODE SIMPLE D ANALYSE DE L EAU AVEC UN SMARTPHONE: ONG AKVO (NL)

• http://akvo.org/uploads/2015/04/Caddisfly_brochure_Eng_03_2015_web.pdf

Le GPS intégré permet la cartographie

BIOINSPIRATION SUPER LENTILLE

La bio-inspiration s’ajoute aux méthodes décrites plus haut

l’araignée est la meilleure imprimante 3D du monde!

Interdisciplinarité entre et Physiciens Zoologistes (20 ans d’expérience! La recherche tient à un fil!)

nature cylindrique avec un diamètre de l’ordre du µm (~1/10 du diamètre d’un cheveu)

Permet de voir des structures en deçà de la limite de diffraction (200 nm)

James N. Monks†, Bing Yan†, Nicholas Hawkins‡, Fritz Vollrath‡, and Zengbo Wang*† † School of Electronic Engineering, Bangor University, LL57 1UT, Bangor, United Kingdom ‡ Department of Zoology, University of Oxford, OX1 3PS, Oxford, United Kingdom DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02641 August 17, 2016

Structures submicroniques d’un disque Blue Ray

PHYSIQUE ET HANDICAP

Canne électronique pour aveugles à coût soutenable développée par le prof. René Farcy (Univ. Paris Sud), La distance aux obstacles est mesurée par un système utilisant une diode laser et est ensuite transformée en son, Utilisée dans différents pays: France, Vietnam, Pérou, Colombie. Depuis cette photo prise en 2005 il en est à la troisième version et elle intègre maintenant un GPS.

OPHTALMOSCOPE DE POCHE À TRÈS BAS COÛT

DÉVELOPPÉ AVEC LE SUPPORT DE LA FONDATION FRED HOLLOWS

Conçu pour être utilisé dans un environnement hostile, comme c’est le cas

pour les centres de santé de « brousse », il peut également être utilisé pour l’observation du conduit auditif avec l’addition d’un accessoire.

Coût environ 7 €.

http://arclightscope.com/

PROBLÈMES Formation du personnel des institutions scientifiques à ces méthodes Souvent il n’y a pas de propriété intellectuelle Fenêtre d’opportunité pour la disponibilité des technologies et leur « recyclage ». Cet écosystème nécessite l’open source et l’open access. Centraliser l’information et la faire circuler: des solutions simples commencent à émerger : Gitbook, Pearltrees serendipité Principe de la science collaborative : Tout seul on va peut être aller plus vite, mais ensemble on va plus loin! Il faut arriver à créer des équipes multi-displinaires On ne peut pas enseigner la créativité, mais on peut créer des conditions pour qu’elle s’exprime

time

Complexity Useful time window

Source: œuvre de Bansky site internet El Pais

Développer des outils et des méthodes, organiser la disponibilité de l’information pour permettre l’expression de la créativité!

Merci pour votre attention

MAPPING ATMOSPHERIC AEROSOLS WITH A CITIZEN SCIENCE NETWORK OF SMARTPHONE

SPECTROPOLARIMETERS

Geophysical Research Letters Volume 41, Issue 20, pages 7351-7358, 27 OCT 2014 DOI: 10.1002/2014GL061462 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014GL061462/full#grl52214-fig-0001

ANALYSER LA LUMIÈRE À L’AIDE D’UN « SMARTPHONE ».

L’ APS (American Physical Society) a développé l’application SpectraSnapp (téléchargeable gratuitement) pour analyser la lumière à l’aide d’un « smartphone ». http://download.cnet.com/spectraSnapp/3000-20415_4-75823442.html

Cela transforme votre smartphone en un spectromètre et permet d’analyser l’émission de différentes sources de lumière. Des instructions permettent de fabriquer un adaptateur que l’on place devant l’appareil photo du smartphone qui permet de décomposer l’émission en ses différentes longueurs d’onde. On peut ainsi déterminer la signature spectrale de ces sources. L’application permet de comparer les spectres obtenus avec ceux inclus dans une base de données, ce qui permet de caractériser la source de lumière. Le smartphone peut être aussi être transformé en un microscope, par addition d’une lentille à l’aide d’un adaptateur imprimé en 3D. (Source : http://www.instructables.com/id/10-Smartphone-to-digital-microscope-conversion/)

MEASURES D’AEROSOLS AVEC UN SMARTPHONE

• L’initiative " ispex" (Pays Bas) (http://ispex.nl/en/): le but était d’impliquer ~ 8000 personnes pour faire une cartographie d’aérosols. Chaque participant a reçu un accessoire a placer devant le capteur photo du smartphone ainsi qu’une application dédiée (App). Il leur a été demandé de faire des mesures a differents angles à des heures et des jours spécifiques.

• Les mesures qui ont été exécutées couvraient l’ensemble des Pays Bas ce qui a permis une bonne cartographie.

• http://cdn.ispex.nl/wordpress/wp-content/uploads/2013/07/iSPEX-meetdag-eindstand.png

MATÉRIEL DE LABORATOIRE ET EQUIPMENTS POUR LA RECHERCHE

• PINCES LASER (Laser tweeter - optical trap): • http://www.gaudi.ch/GaudiLabs/?page_id=578

• Construit à partir de : module Arduino, moteurs pas à pas issus de lecteurs CD ou DVD, laser issu de lecteur de DVD , webcam…… • Impulsé par l’association « Trend in Africa » www.trendinafrica.org • Article de base : “Single-cell isolation using a DVD optical pickup,” Opt. Express 19(11),

10377–10386 (2011).10.1364/OE.19.010377

SPECTROMÈTRE VISIBLE « LOW COST »

Source: Eduardo Montoya Rossi, Óscar Baltuano Elías, Aurelio Arbildo López Rev SocRev Soc Quím Perú. 79 (1) 2013

Multi détecteur de lumière : webcam (camera que l’on trouve sur les équipements informatiques) Réseau de diffraction (dispersion des différentes longueurs d’onde): morceau de DVD (après dépose de la couche de polycarbonate) Arrivée de lumière: fibre optique plastique Coût : < 100 € Performances : équivalentes à celles d’un instrument commercial de l’ordre de 1000 €

IMPRIMANTE 3D A PARTIR DE REBUTS D’ELECTRONIQUE

Kodjo Afate Gnikou (connu comme AFATE) à construit au TOGO une imprimante 3D à partir de rebuts électroniques (principalement de scanners et imprimantes à jet d’encre) pour un coût de 100 $. http://fr.ulule.com/wafate/ Il a aussi fondé un FabLab le WOELAB Ulule.com/woelab, pour former des personnes et développer des applications “ECOLOGIQUE et DEMOCRATIQUE!!!”