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目前，全球约有 2.53 亿人失明或视力低下，其中包括 140 万失明儿童。盲人在获取科学工具和信息方面面临巨大障碍，尤其是在化学这一“核心”科学领域。盲人通常被告知，化学太难、太危险。完全失明的人无法进入目前大多数的研究实验室。然而，机器视觉和学习技术的进步以及实验室全面自动化的机器人发展趋势有可能使未来的实验室变得无障碍和安全。其中，需要解决盲人识别的问题，因为盲人接触高分辨率图形数据和科学图像的机会十分有限。

来自美国贝勒大学的Bryan F. Shaw团队开发了一种浮雕画册。它的页面能够显示触觉和光学读数，让有视力或无视力的人都能将数据“可视化”。原型画册展示了蝴蝶甲壳素结构、从 N-乙酰葡糖胺单体到纤维、鳞片和整个昆虫的显微镜观察过程，本研究将其并赠送给了美国德克萨斯州的盲人和视障人士学校的高中生使用。在本研究中，Fischer-Spier酯化反应的石墨烯图形、生物细胞的电子显微照片，以及蛋白质的 X 射线结构（毫米级三维模型）通过三维打印的方式制造出来。失明学生首次能够以与视力正常的学生相同的分辨率（平均准确率 = 88%）对这些系统进行可视化（描述、回忆、区分）。触觉可视化与实验室培训、合成和盲人化学家的指导同时进行，大大提高了学生对科学的兴趣和归属感。相关工作以题为“Universal pictures: A lithophane codex helps teenagers with blindness visualize nanoscopic systems”的文章发表在2024年01月10日的国际顶级期刊《Science Advances》。

1. 创新型研究内容

制作触觉图形的两种最常见的基准方法是：(i) 塑料或纸张压印；(ii) 膨体印刷，也称为热成型印刷或“瞬间成像”（图 1）。这两种图形对盲人来说非常宝贵，但由于分辨率低、最大突起小（≤0.7 毫米）和耐用性差，其在科学领域的应用十分有限（图 1）。先前的研究表明，膨胀打印具有无与伦比的速度和便利性，但却无法满足科学领域对高分辨率数据的需求。例如，膨胀纸打印会产生电子显微照、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）凝胶电泳图和质谱等常见的变形，从而导致失真。特别是，膨胀图形不可预测的畸形和低而不一致的分辨率（目前最好是毫米级，最差是厘米级）使得膨胀图形无法准确投射电子显微镜的高分辨率复杂图像。这种低分辨率在科学领域是不可接受的[或者说在科学出版领域，按照每英寸 300 点 (DPI) 的图像要求]。

图1 用于向盲人学生教授有机化学的传统触觉图形 图1 用于向盲人学生教授有机化学的传统触觉图形

最近有报道称，有两种新型触觉图形（采用通用设计）可以让失明者和视力正常者无障碍地阅读高分辨率的二维和三维图像。对于二维图像，可以用半透明聚合物 3D 打印薄触感图形，以使用“lithophane ”效果。lithophane是一种薄而半透明的图像雕刻或浮雕（图 2A）。触感图像可以通过触摸来解读。不过，浮雕画在背光时也会散射光线，从而产生类似视频的图像，供需要触觉和视觉混合图像的视力正常者或低视力者使用（图 2A）。在 SDS-PAGE 凝胶（生物化学中最常见的数据）的浮雕形式中，蛋白质条带的突起与其光学强度成线性比例，从而实现了触觉与视觉的结合。用手指或视力同样解读石墨烯数据的能力使盲人和视力正常的研究人员能够共享和分析完全相同的数据。这种方法还使用了低成本的商用打印机，分辨率为 20 至 100 微米，每张照片打印成本只需几美元。微米级分辨率对高分辨率触感图形非常有用，因为指尖可以检测到纳米级的表面粗糙度差异。

图2 用廉价的 3D 打印机制作微观和纳米图像的浮雕和 3D 模型

在3D打印方面，现在可以用食品安全树脂三维打印毫米级的微型模型（图 2B 和 C）。这些微型模型提高了便携性，降低了成本，并便于通过手动或口腔立体识别或目视进行触觉可视化。将浮雕触觉图形与当前的触觉图形（膨胀形图形）进行并排比较，可以看出浮雕具有更高的分辨率和突出度（图 3）。

图3 在描绘高分辨率电子显微镜图像方面，膨胀形态图形与浮雕图形相比存在局限性

首先，本研究通过3D打印相关结构和反应的石墨烯结构式，该方法使有机分子的键线结构变得普遍易得。本研究打印了五种不同的浮雕，描述了醇和羧酸的五种不同的费歇尔-斯皮尔酯化反应（图 4A 和 B）。由于这些实验是由盲人学生进行的，因此选择的酯类是以其宜人的芳香为基础的。这些酯包括乙酸异戊酯（香蕉香味）、癸二烯酸乙酯（梨香味）、丁酸丁酯（菠萝香味）、丙酸乙酯（奶油香味）和水杨酸甲酯（冬青香味）（图 4 和 5）。每个反应物的特征都在右上角用一个独特的触觉代码表示；不过，快速反应（QR）代码也可以印在浮雕上。

图4 醇和羧酸试剂之间的五种Fischer-Spier反应及其酯类产物的浮雕图形

在对不同尺寸的浮雕进行反复试验后，最终确定的浮雕尺寸为：宽 13.3 至 14.4 厘米，长 13.6 至 21.0 厘米。触感突起高 4.7 毫米，宽 1.9 毫米（图 4C）。这些尺寸是根据一名全盲的化学系本科生的反馈意见选定的。只要知道字母的形状，浮雕就能实现信息的通用信息。这种通用格式与基于盲文的图形或基于视频的图形/视频屏幕相反，在这些图形或视频屏幕中，明眼人和盲人无法轻松共享信息。与只能凸出表面约 0.7 毫米的膨胀形图形相比，这些浮雕具有更高的分辨率和无限的凸起范围（图 4D）。虽然两者都适用于大型化学结构，但浮雕比传统的膨胀图形更耐用、更清晰。在这项研究中，几位盲人用户在没有被邀请、提示或询问的情况下表示，与柔软、沉闷的膨胀图形相比，他们喜欢浮雕图形清晰、明了的感觉。

尽管盲人高中生之前几乎没有接受过化学培训，也没有接触过浮雕的经验，但他们仍能准确解读酯化反应的浮雕（图 5）。在这里，盲人学生被要求使用手动触觉来解读五种不同的浮雕。然后，学生被问及与每种浮雕相关的六个问题（共 30 个问题）。他们被要求计算 15 个分子中每个分子的碳原子数，然后计算每个分子中有多少个双键。所有学生和所有问题的平均正确率为 86%。向这些学生展示的要点是，分子中碳原子数量或排列的微小变化可导致分子性质的深刻变化，如气味。

图5 盲人或低视力高中生通过图 4 中的浮雕平面观察粘合线结构

在向学生讲授了 SEM 和 TEM 的内部工作原理后，给他们提供了蝴蝶翅膀的电子显微照片的浮雕，以确定他们能够多有效地直观显示和解释这些显微照片（图 6）。这些电子显微照片以浮雕画册的形式呈现给学生（图 6A）。这本画册展示了三张不同的显微照片，甲壳素翅膀的放大倍数逐渐增加，比例尺从 100 微米到 10 微米不等（图 6B）。还包括完整蝴蝶的触感图像（图 6B 第 1 页）和组成甲壳素的单个 N-乙酰葡糖胺单体的线结构（图 6B 第 5 页）。五页浮雕（图 6A）的每一页长约 100 毫米，宽约 74.5 毫米，触觉突起长达 1.8 毫米。触觉特征的空间尺度（约 0.5 至 2 毫米，分辨率为 100 微米）与指尖的触觉敏锐度（约 0.9 毫米）(41-43) 和人眼在典型阅读距离下的分辨率（即约 1 弧分）的数量级相同。

高中生们被问到，他们可以通过触觉观察到浮雕画册第 2 页上的几丁质鳞片有多少层（图 6C）。必须指出的是，学生们拿到这本书时并不知道它包含了从昆虫到甲壳素单体的逐步放大的蝴蝶图像。因此，学生们需要使用这本小册子，从一层鳞片和平行排列的甲壳素纤维中，用触觉辨别出单个鳞片的外观，因为他们从未直观地观察或学习过甲壳素鳞片或纤维的形状。学生们利用带有单个鳞片的触觉页面（如图 6B 所示）来直观观察和校准单个鳞片的大小，并据此估算随后页面上的羽毛层数。可能的答案是：(i) 2 至 4 层，(ii) 5 至 7 层，或 (iii) 8 至 10 层。尽管以前从未观察过任何类型的显微图像，但八名学生中有七名正确回答了这一问题（准确率为 88%；图 6C）。此外，学生们还能直观地理解和解释显微镜图的细节。当被问及电子在一张图或另一张图中是反射（i）还是透射（ii）时，学生们回答的准确率为 100%。

图6 描绘蝴蝶甲壳素的浮雕画册：从甲壳素单体到完整的昆虫

为了证明浮雕制造工艺的可扩展性，本研究打印了一个有大量页码的浮雕画册（图 7A）。本研究制作了一本 22 页的浮雕画册，展示了所有 21 种氨基酸，以说明如何制作和处理小巧的参考指南。每页都很小（128 毫米×115 毫米×3.0 毫米），化学符号的大小与酯类浮雕相似。一个浮雕画册可装订的浮雕数量（n）的理论极限可用以下公式表示：0.85d = n(w)，其中 d 是环形装订器的直径，w 是每个印版的最大宽度（图 7B）。根据该等式推算，在装订环直径为 10 厘米的画册中可装入约 42 页（假设每个印版的厚度为 2 毫米）。如果每块浮雕显示 4 幅图像（即 8 英寸×11 英寸页面的四个象限），这样的浮雕画册可以显示约 170 幅浮雕图像。这种图像容量远远超出了传统研究研讨会的要求。要显示化学或生物化学教科书中的所有图形图像，需要多个画册。例如，一个 8 × 11 英寸（203.2 毫米 × 279.4 毫米）的 42 页画册就能显示 Voet、Voet 和 Pratt 合著的《生物化学基础》第 5 版（Wiley）前六章中的所有图形图像。如果要显示这本教科书 28 个章节中所有 912 个编号的图表，则需要 5 个这样的画册。

图7 描述生理 pH 值下氨基酸结构的通用浮雕画册和转盘卡片盒

蛋白质生物化学的核心范式是“结构等于功能”。为了向失明学生说明形状和结构，本研究利用微模型（以微米分辨率三维打印的毫米级模型）展示了折叠蛋白质的不同三维结构。这里传达和说明了三个要点：(i) 蛋白质结构的球状范德华表面特征；(ii) 蛋白质的几何多样性；(iii) 蛋白质的异构性。学生们从 PDB 中获得了蛋白质的 3D 打印微型模型（图 8）。这些原子精度的渲染图以毫米为单位，目的是：(i) 提高便携性（这样学生就可以在背包里装上几十个分子的模型）；(ii) 使嘴巴成为可视化的触觉传感器（嘴巴的灵敏度是手指的 2 倍）；(iii) 降低生产和运输成本。在这项研究中，学生们使用手动立体识别技术对蛋白质结构进行可视化。此类微小“微型模型”的开发早有报道，但从未向失明的高中生提供过，以测试其实用性和易用性。

图8 失明或低视力的高中生和化学家博士对异构（变形）蛋白质的触觉回忆

本研究在盲人学生为期 3 天的外展活动结束后进行了事后回顾调查（图 9）。所有学生都表示对化学的信心有所增强（100%），大多数学生表示对化学的兴趣有所提高（87%）、对在大学学习科学的兴趣有所提高（75%）、对化学的归属感有所提高（75%）以及对自己作为科学家的自我认知有所提高（75%）。学生的自我认知感（将自己视为科学家）以及对科学、技术、工程和数学（STEM）的归属感会对成功产生积极影响。有趣的是，87% 的学生表示他们学会了如何用手想象图片。这一高比例并不一定说明学生之前接触触觉图形的机会少，而可能是学生从未体验过高分辨率（<100 微米）的触觉图形。

图9 失明高中生参加为期三天的触觉视觉和实验工具学习课程后对化学的态度

2. 总结与展望

化学研究实验室的定制性、技术性（有时甚至是危险性）表明，在某些情况下，化学家可能是在其领域提高无障碍环境的最合适人选（与特殊教育、安全、职业疗养和无 障碍环境方面的专家进行磋商）。化学家已经是出色的工具制造者，他们制造（或重新利用）各种设备来检测那些用眼睛无法看到或无法直接看到的东西。他们是创造性的教学者，他们使用模型、图片和图表来分析和说明用肉眼无法看到的系统。

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