Deux minutes à peine après avoir parlé au Dr Richard Bowman, dans son laboratoire de l'Université de Bath, il m'a guidé à travers la physique des rayons de tracteurs dans Star Trek. Il l'utilise comme un parallèle pour expliquer le sujet compliqué des pincettes optiques à une personne stupide.

Il le fait de manière charmante, en tant que quelqu'un qui est habitué à expliquer son domaine complexe aux journalistes, mais il est clair pourquoi il est un Fellow de la Commission royale de recherche et de la Commission royale de 1851 - son explication se termine par notre rayon de tracteur imaginaire faisant fondre un objet qu'il essayait de déplacer avant Bowman rétrécit tout cet exemple de science-fiction pour montrer comment il a utilisé les rayons laser dans ses travaux passés pour déplacer des objets minuscules.

En apparence, le Dr Bowman raconte qu'il travaille sur un projet de trois ans visant à construire un microscope polyvalent imprimé en 3D, mais ses ambitions sont plus grandes et qu'il souhaite enfin créer des «blocs de construction» imprimables en 3D qui d'autres peuvent utiliser pour fabriquer de nouveaux appareils expérimentaux abordables. “Ouvrir du matériel signifie que plus de gens y ont accès,” dit le Dr Bowman.

Le Dr Bowman travaille actuellement sur des moyens d'imprimer en 3D des "blocs de construction" indispensables pour ceux qui souhaitent créer de nouveaux appareils expérimentaux.

“Personnellement, je tiens à ce que le matériel soit d'une qualité que je ne serais pas gêné d'utiliser dans un laboratoire de recherche universitaire bien financé. Il y a aussi une forte pression pour avoir des choses que l'on peut fabriquer à la maison. Rendre la recherche scientifique plus accessible signifie donc que les écoles, les clubs scientifiques et les makerspaces peuvent commencer à faire des choses scientifiques vraiment intéressantes. […] En ce qui me concerne, plus le public qui s'implique dans la science est le meilleur.”

Cofondateur de WaterScope, un projet de développement de kits de test d’analyse de l’eau plus rapides et plus simples utilisant un microscope, il est un fervent défenseur du matériel ouvert et collabore avec des organisations telles que GOSH (The Gathering for Open Science Hardware).

La journée commence

Le voyage de Richard Bowman vers le matériel ouvert a commencé alors qu'il travaillait sur des pincettes optiques pour son doctorat à l'Université de Glasgow. Là, il a expérimenté le coût des instruments scientifiques personnalisés. Un microscope de recherche “avec toutes les cloches et sifflets et une scène motorisée”, dit Bowman, vous coûtera 30 000 £ à 40 000 £. “Ensuite, vous annulez la garantie en extirpant la plupart des optiques complexes à l'intérieur du microscope et en les remplaçant par vos propres accessoires..”

La situation était frustrante et peu efficace, mais au Queens College de l'Université de Cambridge, où il travaillait dans un groupe de nanophotonique et s'occupait de la microscopie automatisée, il a commencé à rencontrer des personnes intéressées par le matériel open source: “J'ai rencontré quelqu'un qui construisait un microscope imprimé en 3D et ça ressemblait beaucoup à ça,” dit Bowman en désignant une imprimante 3D RepRap à proximité.

C'était Alexandre Kabla et un projet appelé OpenLabTools. “L’objectif est d’auto-répliquer et d’imprimer autant de parties que possible, mais dans la pratique, vous avez constaté qu’une grande partie n’est pas imprimée.,” dit Bowman, et ce fut l'étincelle qui le fit penser: “J'étais curieux de voir à quel point vous pourriez imprimer un microscope.”

Bowman nous montre l'un des premiers microscopes qu'il a imprimés: “Ce,” il dit, “va transformer une caméra Raspberry Pi dans un microscope.” C'est un minuscule tube de rallonge noir (illustré dans l'image en haut de la page), utilisé depuis longtemps par les photographes: “Sur votre webcam, vous avez un tout petit capteur en silicium brillant et les pixels sont très petits […]. Je pense qu’il s’agit de 1,1 micron pour le module de caméra Raspberry Pi version 2. Donc, cet objectif qui forme une image sur le capteur est en fait un objectif de microscope, car il concentre la lumière sur un point ne dépassant pas un micron et pour l'optique linéaire au moins, […] vous pouvez inverser le trajet de la lumière et il fait la même chose.”

Le Dr Bowman explique que s’il dévissait l’objectif et le pointait sur l’objet qu’il voulait regarder - en l’éloignant du capteur - il fonctionnerait comme un microscope..

L'étage motorisé du plus grand microscope, qui utilise un petit script Python, permet à l'utilisateur de déplacer le champ de vision sur la diapositive.

Questions mécaniques

Étonnamment, l’aspect difficile de la microscopie n’est pas l’optique mais la mécanique. Travailler avec des objets d'un millionième de mètre nécessite un microscope de très haute puissance pour tout voir. À ce stade, la profondeur de la mise au point de votre microscope est inférieure à un micron. À l'aide d'un modèle motorisé plus grand de son microscope OpenFlexure imprimé en 3D (photo ci-dessus), Bowman démontre le problème.. “Si votre échantillon vacille même d'un micron […], un centième de la largeur d'un cheveu humain, toute votre expérience est ruinée.”

La partie la plus coûteuse pour un travail scientifique sérieux consiste donc à construire une étape mécanique permettant un contrôle précis de ce que vous voulez regarder.. “Un module de caméra Raspberry Pi coûte 25 €, mais la platine mécanique peut alors vous coûter 1 000 € ou facilement plus que cela..” Bowman a donc entamé un processus de recherche et de prototypage des étapes mécaniques. Vous pouvez voir certaines des itérations illustrées dans l'image en haut de cette page: la clé step up, que Bowman décrit comme “au milieu de la nuit” l’épiphanie, était de placer l’échantillon sur une table (le dernier microscope rouge dans l’image supérieure) qui a des pattes conçues pour se plier de manière à permettre le contrôle de la mise au point et le mouvement cruciaux sur les axes X et Y.

En fin de compte, la conception du microscope de Bowman est une structure complexe et impossible à usiner: “Vous pouvez l’imprimer couche par couche, mais vous ne pouvez pas l’utiliser.,” dit Bowman en souriant. “Vous ne pouvez pas le mouler par injection non plus.”

Le plus grand microscope de Bowman avec une platine motorisée, qu'il nous présente, utilise les scripts Python pour permettre à l'utilisateur de déplacer le champ de vision sur la diapositive. Le but est d’ajouter plus de fonctionnalités telles que la mise au point automatique et la possibilité de relier toutes les images pour une représentation numérique..