Après avoir occupé le domaine médical, l’imagerie 3D devient utilisable pour un grand nombre d’applications. Depuis peu, elle occupe une place dans l’histoire naturelle, aussi bien dans la recherche que dans la diffusion des connaissances vers les publics dans les expositions et les musées, dépoussiérant l’image parfois désuète de cette discipline. Un paradoxe, car le design « cabinet de curiosité du XVIIIème siècle » a la faveur du public de par sa large présence dans les magasins de décorations et d’ameublement. Mais l’histoire naturelle doit effectivement renouveler son image pour bien montrer son ancrage dans la science du XXIème siècle.

Chercheur au Muséum national d’histoire naturelle et à l’Institut de Systématique Évolution Biodiversité (ISyEB), Romain Garrouste est également entomologiste, paléoentomologiste et écologue. Spécialisé dans la biodiversité (notamment celle qui caractérise le monde des insectes), il est amené à découvrir des méthodes diverses de conservation de fossiles.

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L’image 3D « scientifique » est un modèle numérique informatisé, soit le résultat d’une création (sculpture numérique), soit une reconstruction d’un objet réel par divers procédés développés par l’industrie et l’imagerie médicale. Il s’agit de scruter, reproduire, analyser, scanner et comprendre l’intérieur ou la surface d’un objet vivant ou inerte.

L’histoire naturelle, de la biologie à la préhistoire, s’est emparée de ces méthodes qui sont une sorte de nouveau paradigme technologique pour étudier, de manière non destructive, des échantillons inertes issus des anciennes collections ou des programmes de recherche en cours et les reproduire.

On peut y avoir recours pour étudier les inclusions d’insectes dans l’ambre, avec des découvertes acquises ou en perspective, comme celle récente apportant de nouveaux éléments d’explication de fossiles aussi bien étudiés que ceux de Lucy.
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Il existe des spécimens historiques précieux sur les étagères des réserves des musées. Il s’agit quelquefois de simples blocs de pierre qui laissent apparaître un bout de fossile et qui bénéficieraient grandement de cette technologie, sorte de dégagement virtuel permettant d’extraire des trésors scientifiques d’échantillons paraissant banals.C’est là la fonction première des collections patrimoniales et de leur préservation : permettre des avancées grâce à des méthodes qui n’existaient pas encore au moment de leur collecte sans devoir aller à nouveau rechercher des spécimens.

Cela concerne les fossiles, mais aussi des espèces qui s’éteignent suite à la destruction de leurs habitats ou de civilisations, voire suite à des changements dans les pratiques culturelles (espèces et artefacts). Cela souligne aussi l’importance de ces spécimens par rapport à leur unique préservation sous forme de numérisation 3D : certains ont évoqué la possibilité de jeter les spécimens après numérisation, ce qui équivaudrait à bloquer la science à ce niveau de technologie.

Les méthodes d’imagerie et de reconstruction 3D

Les méthodes sont multiples et se développent à grande vitesse, en exploitant les propriétés de la lumière, des ondes électromagnétiques de l’infrarouge lointain aux rayons X durs, en passant par la lumière dite « normale ». Quelques appellations : microscopie confocale laser, imagerie synchrotron, cohérence optique (OCT), déconvolution, fluorescence ou encore tomographie aux rayons X. Tous ces outils percent les matières les plus denses à la façon d’une radio médicale classique.

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On distingue les méthodes qui permettent de reconstruire des volumes à partir des surfaces (scanner surfacique et méthode photogrammétrique) et celles utilisées pour étudier l’intérieur des échantillons. Ces dernières utilisent le plus souvent les rayons X dans des machines de plus en plus spécialisées  : les tomographes à rayons X (CT Scan : Computer Tomography Scanner). Le CT Scan du Muséum National d’histoire naturelle à Paris est l’un des plus perfectionnés pour étudier les collections d’histoire naturelle.

Ce qui est intéressant ici, c’est la possibilité de découper virtuellement un volume en tranches fines, voire très fines (tomographie), et de le reconstituer dans un modèle numérique, qu’il soit vivant ou inerte (matériaux, cellules, tissus, partie de squelettes, fossiles, roches, artefacts archéologiques ou ethnologiques, etc).

Étude de l’œil d’une punaise

Dernièrement, une telle machine, installée au CEREGE d’Aix-en-Provence, a été employée pour étudier l’œil d’une punaise, un insecte minuscule de 2,5 millimètres. La reconstruction se matérialise par un cube de 63 microns de côté (63 millièmes de millimètre) et permet de comprendre l’organisation complexe de cet organe. La machine fait partie d’un pôle scientifique dédié aux nanotechnologies et ses impacts sur l’environnement, d’où sa résolution extrême qui nécessite parfois plus de 24 heures de scanning.

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L’autre force de ces outils dédiés à des applications scientifiques analytiques réside dans l’utilisation de la lumière synchrotron. Ces grands équipements (en France : Soleil à Saclay ou l’ESRF à Grenoble) sont des accélérateurs de particules circulaires, au périmètre de plusieurs centaines de mètres de long, dont on exploite une propriété particulière : lorsque les particules élémentaires de la matière (comme les électrons) sont accélérées dans une partie courbée, elles dégagent de la lumière dans toutes les parties du spectre, dont des rayons X de plusieurs natures.

Cette lumière est ensuite utilisée dans des « beamlines » (« lignes de lumière ») où ses propriétés sont exploitées pour découvrir la nature et la structure fine de divers échantillons dans des sciences comme la biologie moléculaire ou l’astrophysique.

L’impression 3D

L’impression 3D est une application de toutes ces méthodes qui convergent vers la restitution « physique » des volumes numériques. On parle alors d’unités en voxels. Les voxels sont les pixels de la 3D : on cherche à les rendre de plus en plus petits, à leur affecter de plus en plus de propriétés et y associer des données (composition chimique, densité, etc).

Les algorithmes de calcul sont plus complexes que pour l’imagerie 2D et demandent des capacités importantes, notamment de grandes mémoires vives. Un PC de laboratoire dans un atelier de reconstruction 3D possède au minimum 64 Go de RAM, voire 128 Go pour traiter de grands lots d’images complexes.

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L’impression est une sorte de robotique appliquée au « modélisme » piloté par des logiciels de lecture de modèles 3D, une technologie en plein développement. C’est actuellement un grand foisonnement de méthodes pour « imprimer » ces voxels avec des résines, diverses pâtes plastiques que l’on amalgame, des lasers pour découper, etc…

Certaines peuvent imprimer avec du béton (pour la construction seulement). Les résultats dépendent de la technologie, du modèle de départ et d’options de finitions qui sont souvent nécessaires (retouche, colorisation, montage de pièces, par exemple) selon le réalisme recherché.

Une nouvelle muséologie des sciences

Reste encore à former une nouvelle génération de chercheurs et d’opérateurs scientifiques 3D. Ils commencent à se saisir de ces nouvelles méthodes numériques fondées sur une bio informatique particulière pour renouveler la médiation des sciences et la muséologie. Des petites sociétés de services 3D (CreaZaurus ou Cossima Productions) se multiplient, y compris autour de l’histoire naturelle, par exemple pour reproduire des dinosaures ou des insectes « géants ».

Outre des impressions 3D réalistes à l’échelle souhaitée, ces technologies permettent d’envisager une autre réalisation spectaculaire : les représentations holographiques ou encore d’autres modes de projections 3D à inventer. Les représentations holographiques devraient se multiplier dans les musées, autant dans les espaces permanents que dans les espaces temporaires.

Et comme pour la plupart des technologies du numérique, il y a déjà des prémices pour une 4D, avec un développement faisant intervenir le temps comme nouvelle dimension de l’imagerie numérique des modèles scientifiques virtuels. Dans tous les cas, comme pour toute modélisation, il s’agit de tenter de s’approcher le plus possible du « réel » reproductible et de mieux le partager.

Source : The Conversation France

Photos : The Conversation France

Date de première publication : 26/09/2016

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