2D 图像打印成 3D 可触技术登上 Science，盲人离科学更近一步

一位视障人士想要成为科学家，需要付出多少努力？

作为视障人士，仅仅是阅读期刊文章，对化学家 Matthew Guberman-Pfeffer 来说都意味着要克服一系列困难：

首先，他得下载 PDF 转换成文本，再用阅读器把文中句子大声朗读出来。阅读器有时候不认识科学术语，有时会句子读到一半念广告，有时会把每个编号都读出来，数据乱得让人一头雾水。

这些都还不算大问题，对盲人来说，最大的拦路虎仍然是图像。

论文里少不了科学图像，但视障人士惯用的盲文、转语音等接收数据方式无法处理图像，这大大限制了他们学习科学的可能性。是时候让科学变得更包容，更可得了，这个世界需要一种可以被视障人士和一般人都轻松可视化的高分辨率数据格式。

于是四位视障学者与生物化学家 Bryan Shaw 团队合作，开发出了一种让盲人"阅读"的简单方法。这四位作者自出生或幼年就失明，是克服了视觉障碍成为科学家的极少数人；而 Bryan Shaw 带头这项研究，则是为了帮助自己先天双眼患有肿瘤的儿子"看到"科学的样子。

这项研究提出的可视化方法是将图像 3D 打印为可触图像，利用 lithphane 效应让可触图像以视频分辨率发光。以这种方式打印出的凝胶电泳图、显微图、电子和质谱、教科书插图等图像，全都可以通过触摸和视力两种方式"看到"，准确率≥79% (n = 360)。

朝花夕拾

该研究中使用的 lithphane，其实并不新奇，这是一种被称作"透光浮雕"的传统艺术方式。研究者们尝试此方法，是因为 lithphane 可以同时用触摸和视力两种方式"看到"。

Lithphane 通常是一块薄薄的、半透明的浮雕，材料是薄瓷或蜡，通常厚度小于 2 mm。参考下图 A，Lithphane 在环境光或前照光下并不透明。但当光从背后射来时（如下图 B 和 C），Lithphane 就会像数字图像一样发光。

光通过半透明材料的散射，使得较薄的区域看起来更亮，而较厚的区域看起来相对暗，因此形成了一种可视化效果。

就这样，一块薄薄的浮雕便具备了成为通用可视化数据形式的要素：既能让视障人士触摸阅读，也能让普通人通过视觉观看。

其实早在 17 世纪，欧洲就已经有这种艺术，lithphane 甚至在唐朝时候就在中国出现了。lithphane 虽然早已存在，但从来没有被当成过一种通用的可视化数据形式。

而 Bryan Shaw 发现 lithphane 的经历也相当有趣：当时他和一个学生正在制作 3D 打印图。Bryan Shaw 说，"如果我们把这些图做得更薄，就可以打印得更快，而且用的树脂也更少。"

于是学生便将图片做得像薯片一样薄。Bryan Shaw 拿了一张图将其举到灯光下，他发现那张图不仅有 3D 的凹凸效果，而且透光后看上去就像一张照片。

那之后的一个礼拜，Bryan Shaw 都以为自己和学生发明了一种新技术，然后才慢慢发现 lithphane 在 1000 多年前就被发明了。眼下许多科学都在用新方式去使用旧技术，Bryan Shaw 的团队很高兴能够实现这样的「朝花夕拾」。

对比实验

在研究中，学者们使用小型商用 3D 打印机来制作 Lithophane，成本小于 5000 美元（约 34200 元人民币）。研究团队做了对比实验，比较视障对象、蒙眼对象和视力正常对象分别通过触觉和视力来"阅读" Lithphane 的效果。

一开始研究团队使用了生物化学中最常见的图像：SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳。如果能让视障人士"看见"电泳图，那他们学习生命科学的机会就会大大提升。

▲ SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳-对比实验

受试对象分为三组，一组是 106 名（有视力的）蒙眼对象与 5 名眼盲对象，他们被要求用触觉来解释 Lithphane 上的数据。

而另一组没有被蒙住眼睛的、视力正常的对象（n= 106) 被要求用视力解释 Lithphane。

为了将 Lithphane 的清晰度与原图像进行比较，第三组视力正常的对象被要求使用视力来解释计算机屏幕上的原始数字图像（n = 143）。

从上图可以看出，在"阅读"电泳的 Lithphane 形式时，眼盲对象的平均解释准确率为 93.3%，视力正常对象的平均解释准确率为 91.4%，蒙眼对象的平均解释准确率为 59.1%。通过视力在计算机屏幕上解读数字图像的准确率为 79.6%。

研究团队又增加了其他 4 种图像（蝴蝶鳞片扫描电子显微镜图、蛋白质质谱图、铁卟啉蛋白的紫外-可见（UV-vis）光谱、七链 β 折叠蛋白二级结构图）的 Lithphane 形式并组织对比实验。

团队最终得出，5 种 图像 Lithphane 的平均解释准确率为：眼盲对象为 96.7%，视力正常对象的视觉解释为 92.2%，蒙眼触觉解释为 79.8%。通过视力在计算机屏幕上解读数字图像的准确率为 88.4%。

针对约 80% 的问题，眼盲对象的触觉准确度等于或优于直接的视觉解释。这个结果表明，Lithphane 的确可以作为一种通用、共享、无障碍的数据格式。

▲ Matthew Guberman-Pfeffer 用手指"阅读" lithphane

Data for All

找到了 Lithphane 这种通用可视化方法后，该研究团队发散思路，寻找了其他能将自定义 2D 图像转换为触觉形式的方法。他们发现了另一种常见的方法，即膨胀形式技术（swell form technology），也称为"瞬间图片"技术。

在这种技术中，专用纸（即"膨胀纸"）被用来制作柔软、泡沫状的可触图形。加热时，纸张中的微米级酒精颗粒会在已用黑色墨水或墨粉打印的区域中引起膨胀（彩色墨水不凸起）。

▲ 黑色墨水部分凸起的可触图案

与 Lithphane 方法相比，膨胀形式技术的主要优势在于比 3D 打印更快，而缺点是在精度、分辨率和可控性上无法与 3D 打印相比。

同时，团队也在研究彩色数据的可视化。例如，热图和 2D 彩色图的 Lithphane 可以通过投射单调灰度来制作。为了能做到定量数据解释，需要将数字图像转换为颜色空间，比如"立方螺旋（cubehelix）"。

Cubehelix 是一种色盘生成算法，其生成的色表在转换为灰度或替换色调后，其强度的变化不会有影响。

该研究合著者 Mona Minkara 也是一位视障科学家，她兴奋地表示，这项研究可以彻底改变她与学生的沟通方式，因为视障学者可以和健康人士同时讨论相同的信息了。随着类似研究的不断丰富，数据的普遍可访问性将成为社会基础，这种无障碍的境界正是科学的最大意义。

在这几位视障学者的就学经历中，他们都遇到过很多障碍，并意识到盲人是不鼓励学习科学的，也一直被排除在实验室之外。但在科学面前，这种能力主义其实大可不必 --

原子和分子小于 250 nm，恰好是可见光的衍射极限。面对这种尺度的科学，人类的视觉也派不上用场，必须使用光谱学、显微镜，或者培育出能够衍射 X 射线（或中子、电子）的晶体来进行研究。而对于视障人士来说，为了深探科学而为自己制作人工眼睛，这才是科学带来的平等。

参考链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq2640

https://www.science.org/content/article/how-3d-printing-could-help-blind-researchers-see-data