Le journal du cnrs numéro 21 Avril 2008

Réalité virtuelle : Le stylo pour apprendre à écrire

Un stylo-robot qui permet d’apprendre à tracer, rapidement et avec fluidité, des alphabets ou systèmes d’écriture : voilà ce qu’ont développé quatre chercheurs grenoblois, après mise en commun de leur expertise en informatique, mathématiques, psychologie cognitive et réalité virtuelle. Décrit dans un article publié en ligne dans Plos One de mars, cet appareil a déjà été testé avec succès sur des adultes. Formé d’un bras à retour d’effort géré par un ordinateur – interface haptique en jargon scientifique –, « l’appareil permet de guider un stylo dans une sorte de rail virtuel situé au-dessus d’un écran, pour contrôler non seulement la forme du signe, mais aussi la dynamique du tracé », explique Édouard Gentaz, du Laboratoire de psychologie et de neurocognition (Laboratoire CNRS / Université Grenoble 2 / Université Chambéry). Les chercheurs ont démontré son efficacité sur 24 étudiants âgés de 18 à 24 ans, ne parlant ni japonais, ni arabe. Ils leur ont demandé de reproduire quatre signes ou lettres, deux de chaque langue, le plus précisément et le plus rapidement possible, dans trois situations d’apprentissage. « Le premier travail consistait simplement à reproduire chacun des quatre signes avec le stylo sur un écran de PC placé à l’horizontale. Cette première phase permettait d’établir le niveau de base des adultes avant les phases d’apprentissage. Ensuite, les étudiants ont dû reproduire le signe avec le fameux stylo programmé pour ramener, par simple effet ressort, l’utilisateur sur la trajectoire théorique – c’est du “guidage en position”. Les étudiants ont aussi expérimenté le stylo-robot en mode “guidage en force”, où le stylo transmet la force exacte pour reproduire parfaitement le tracé. Enfin, la troisième phase a permis de mesurer les progrès de chaque participant », détaille Édouard Gentaz. Pour cela, la qualité des tracés a été évaluée selon deux critères : l’écart spatial entre la forme produite et le modèle, et la fluidité des tracés (vitesse et nombre de saccades). Le résultat est clair : les progrès pour la fluidité des tracés étaient beaucoup plus nets après l’apprentissage avec le stylo-robot et le « guidage en force » qu’après les autres types d’entraînement. L’intérêt par rapport à un « simple » suivi par un professeur ? « Le stylo-robot permet d’adapter finement l’apprentissage à l’utilisateur, sachant que chacun apprend de façon différente ; mais dans tous les cas, les exercices doivent être prescrits et planifiés par le professeur en fonction des progrès notés », indique Édouard Gentaz. Il y a trois ans, le chercheur et ses collègues avaient démontré l’efficacité d’un système similaire chez des enfants de 5 et 6 ans apprenant à tracer des lettres cursives françaises.

Kheira Bettayeb

Contact : Édouard Gentaz,Laboratoire de psychologie et neurocognition, Grenoble, [e-mail]

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Biomatériaux : Les promesses du chitosane

Devinette : quel est le polymère le plus abondamment produit par la nature ? Non, ce n’est pas la cellulose des végétaux, mais la chitine, le principal constituant des carapaces des insectes, des crustacés, des araignées, également présent dans les céphalopodes comme le calamar et dans les champignons. Cette biomolécule et son principal dérivé, le chitosane, sont étudiés de près par une équipe de chercheurs du laboratoire lyonnais « Ingénierie des matériaux polymères » (Laboratoire CNRS / Insa Lyon / Université Lyon 1 / Université de Saint-Étienne). Avec une certaine réussite : grâce à ces « briques » existant dans la nature, ils viennent de créer un nouveau matériau très prometteur. Son signe particulier ? Suivant les structures que l’équipe lui donne, il pourrait être utilisé comme matériau de base sur lequel cultiver des cellules (bioréacteur), comme système de délivrance des médicaments ou encore comme implant lui-même. Ce nouveau venu est à base d’hydrogel. Ni solides, ni liquides, les hydrogels sont en fait constitués d’eau piégée dans un réseau de polymères – ici de chitosanes – à trois dimensions. Les longues chaînes des polymères sont capables d’emprisonner de très grandes quantités d’eau, de solutions aqueuses, et même des cellules. Les avantages d’un tel matériau sont nombreux. Constitué de briques biologiques, il est compatible avec les organismes vivants. Il peut également être moulé ou sculpté selon l’architecture désirée. Enfin, ces hydrogels s’inspirent eux-mêmes des structures présentes dans les organismes biologiques. « Les tissus vivants peuvent tous être considérés comme des hydrogels physiques complexes : la peau, les os, les vaisseaux sanguins, etc., souligne Alain Domard, qui dirige l’équipe de recherche sur les matériaux polymères naturels et bioartificiels. On peut donc envisager l’élaboration de matériaux avec des propriétés proches des tissus vivants, utilisables dans des applications biologiques. » Le dernier matériau élaboré par le laboratoire est donc une succession de membranes constituées de chitosane et empilées les unes sur les autres à la façon des couches d’un oignon. « Ce système constitue un excellent bioréacteur, constate Alain Domard. Pour preuve, nous l’avons testé avec différentes mises en culture de cellules de mammifères, et notamment des cellules de cartilage, les chondrocytes. Les résultats, publiés dans la revue Nature du 6 mars, sont prometteurs : les chondrocytes se multiplient et produisent une quantité très importante d’un tissu tout à fait semblable à du cartilage. Et ce bioréacteur peut être ainsi utilisé jusqu’à huit mois avec d’excellents résultats », poursuit-il. Ces derniers ont apparemment convaincu des partenaires industriels, avec qui le laboratoire est aujourd’hui en contact.

Virginie Lepetit

Contact

Alain Domard, Laboratoire « Ingénierie des matériaux polymères », Lyon, [e-mail]

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Astrophysique : Des révélations sur le méthane de Titan

La présence de méthane dans l'atmosphère de Titan, le plus gros satellite de Saturne : un vrai casse-tête. Mais peut-être plus pour longtemps. Des chercheurs du CNRS tiennent une nouvelle explication de son origine, ainsi qu'une estimation des réserves « titanesques » de ce gaz. Mais d’où vient donc le méthane de l’air de Titan ? Plusieurs décennies après qu’il a été formulé, le problème continue à hanter les spécialistes du satellite de Saturne. Ceux-ci savent que l’atmosphère de cette lune est faite de 5 % de ce gaz mêlé à de l’azote (94 %). Mais ils ont eu beau faire et refaire leurs calculs, ils en arrivent toujours à la même conclusion : en l’absence de sources pour le réalimenter et au rythme auquel il se transforme en d’autres composés chimiques, l’hydrocarbure aurait dû disparaître depuis longtemps ! Comment le méthane volatil de Titan est-il réapprovisionné ? Grâce à la mission « Cassini-Huygens » de la Nasa et de l’ESA, les planétologues ont enfin les moyens d’avancer vers la résolution de ce mystère. À mesure qu’ils dépouillent les données de l’orbiteur Cassini qui survole régulièrement Titan, ils réduisent le nombre de leurs hypothèses. Deux études impliquant le CNRS ont ainsi récemment apporté leur contribution à cet effort mondial. La première d’entre elles avait pour objectif d’expliquer pourquoi la surface de ce corps glacé – où règne une température de – 179 °C – n’est pas entièrement recouverte d’hydrocarbures liquides. Longtemps en effet, les scientifiques ont imaginé que le méthane de l’atmosphère de Titan résultait de l’évaporation d’un océan s’étendant sur l’ensemble de ce globe. Mais depuis l’«atitanissage » de la sonde Huygens en janvier 2005, on sait que celui-ci n’existe pas. Pourquoi ? Olivier Mousis, de l’Institut Utinam (Univers, transport, interfaces nanostructures, atmosphère et environnement, molécules » CNRS / Université de Besançon) de Besançon, et Bernard Schmitt, du Laboratoire de planétologie de Grenoble (Laboratoire CNRS / Université Grenoble 1), proposent d’expliquer cette absence par un phénomène qui surviendrait sur Titan : le cryovolcanisme – ou volcanisme « froid ». Selon eux, le sous-sol du satellite est, au-delà d’une certaine profondeur, constitué de glaces d’eau emprisonnant du méthane sous forme d’une sorte de neige appelée clathrate. L’astre étant actif, ce mélange remonterait de temps à autre vers la surface. La conséquence en serait une brusque libération du méthane à partir d’une glace d’eau commençant à fondre. Projetée ou s’écoulant à proximité des « cratères », celle-ci se re-solidifierait alors sous l’effet du froid extrême, donnant une glace poreuse qui recouvrirait de larges régions du satellite…« L’intérêt de cette hypothèse est qu’elle explique pourquoi un océan ne se forme pas sur Titan, raconte Olivier Mousis. Lorsque le méthane de l’air se transforme par l’action de la chimie atmosphérique en pluies d’éthane et d’autres hydrocarbures, celles-ci s’écoulent à travers la glace d’eau poreuse : l’éthane liquide disparaît dans cette calotte. » En faisant des hypothèses raisonnables sur la porosité de la glace d’eau transformée par le « cryovolcanisme », les scientifiques ont calculé que celle-ci devrait avoir au minimum une épaisseur de 2 300 mètres pour avoir enfoui sous forme de « clathrates » toutes les précipitations de l’histoire de Titan. Pour autant, le méthane liquide ne serait pas absent de la surface de la lune gelée. En juillet 2006, les planétologues ont en effet repéré sur les images du radar de Cassini des dizaines de « surfaces lisses » au-delà des 70° de latitude nord⁴. Pour les experts, ces taches sont des lacs de méthane. Toutes réunies, ces étendues liquides, parfois longues de centaines de kilomètres, représenteraient une superficie supérieure à celle de la mer Noire. Quid de leur profondeur ? C’est justement l’objet de la seconde étude impliquant le CNRS. Philippe Paillou, chercheur au Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux (LAB) (Laboratoire CNRS / Université Bordeaux 1), Gilles Ruffié, ingénieur au Laboratoire de l’intégration, du matériau au système (IMS) (Laboratoire CNRS / Enseir Bordeaux / Université Bordeaux 1 / ENSCP Bordeaux), et leurs collègues américains ont réexaminé les images du radar de Cassini afin de voir s’il n’était pas finalement possible de chiffrer cette valeur. Le fond des lacs étant par endroits visible sur ces clichés, ils en ont déduit que le signal de l’orbiteur pouvait traverser le liquide. Pour déterminer jusqu’à quelle profondeur, ils ont mesuré, dans le cadre d’une collaboration avec Gaz de France, la « constante diélectrique » du gaz naturel liquide, lequel est essentiellement composé de méthane. Comme cette grandeur caractérise l’atténuation du signal de Cassini dans ce composé, l’équipe a pu calculer que les lacs de Titan ont une dizaine de mètres de profondeur, au moins. Et même, grâce à des données topographiques, estimer leur volume total. Celui-ci s’avère gigantesque. Les réserves de méthane de Titan seraient, en effet, 400 fois supérieures à celles de tous les hydrocarbures terrestres…

Vahé Ter Minassian

Contact :

Olivier Mousis, Institut Utinam Besançon, [e-mail]

Philippe Paillou, Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux (LAB) [e-mail]

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