Science Frugale
Science Frugale
Une approche durable, accessible et pluridisciplinaire de la science.

 

La science frugale est un état d’esprit : voir les ressources disponibles non comme une contrainte mais comme une opportunité, et envisager le partage comme une condition indispensable à l’enrichissement. Il ne s’agit en aucun cas de science au rabais, mais de science durable, accessible et pluridisciplinaire.

Le terme évoque un faisceau d’initiatives en recherche fondamentale ou appliquée, en médecine, en éducation, ainsi que dans le domaine de la médiation des sciences.

L’exposition-forum « Science frugale » organisée entre novembre 2016 et septembre 2017 à l’Espace des Sciences Pierre-Gilles de Gennes (ESPCI Paris – Paris Sciences & Lettres) a été conçue et construite à travers une série de rencontres et d'ateliers entre chercheurs, makers, enseignants et publics.

Ce façonnage évolutif a été transmis au public au fur et à mesure de l’exposition via un blog, alimenté par une narratrice (@SciGale, alias Azeline Billy) et une illustratrice (@colpizen, alias Colette…). Grâce à cette démarche muségraphique, l’exposition a obtenu le prestigieux prix internationale ECSITE - Mariano Gago dans la catégorie “Smart and simple”.

L’exposition « Science Frugale en ligne » lui donne une seconde vie virtuelle et vise à diffuser plus largement encore les grands principes de la science frugale ainsi qu’une galerie de projets de tous horizons, de l’ESPCI Paris aux laboratoires du Brésil, de PSL au premier Fablab du Togo.

 

                                       sf1SF2   SF3

Présentation
Exposition science frugale : la scénographie
Exposition science frugale : les ateliers
Exposition Science Frugale: les mots clés

La Science Frugale est un mouvement hybride qui évolue entre la culture maker, la coopération internationale et la recherche.

Elle est souvent adaptée à une problématique précise et l’utilisation de ressources localement accessibles, quoique ses grands principes (recyclage, partage, faibles coûts) soient universels.

Lorsqu’un chercheur détourne un objet du quotidien pour l’utiliser dans une manip expérimentale, c’est une logique de science frugale. Cette démarche recouvre également l’utilisation de technologies adaptables ou modulables, comme les circuits imprimés programmables (Arduino par exemple) ou l’impression 3D. Enfin, la science frugale a des affinités fortes avec l’utilisation de logiciels et de matériels libres et la diffusion ouverte des connaissances. Ces pratiques de détournement et de partage, à l’origine limitées au monde des hackers informatiques, sont aujourd’hui très répandues sous le nom de culture maker (culture du faire) et ont franchi les portes des laboratoires de recherche.

L’approche de la science frugale ne peut ni ne doit être appliquée systématiquement à tous les domaines de recherche, ni à toutes les phases d’un projet. Certaines disciplines, telles que la physique des particules ou l’astrophysique, nécessitent ainsi des équipements très coûteux, tout comme les vérifications méticuleuses opérées dans les phases conclusives d’un grand projet de recherche, par exemple en génomique. Pourtant, la galerie de projet présentée ici montre que la science frugale, approche répandue et transversale, permet des solutions originales et créatives à différentes étapes et pour beaucoup de disciplines.

 

"Science Frugale, les mots-clés"

 

"François Piuzzi (Société Française de Physique) et la science frugale"

A la rencontre de la plume - Atelier MachinChose
Atelier Living-lab

À l’origine de cette exposition virtuelle, l’exposition-forum organisée à l’ESPGG a exploré les grands principes de la science frugale à travers le prisme de projets et objets emblématiques. On parle d'exploration car l’exposition a été conçue comme un instrument de recherche plutôt que comme un outil de monstration. Elle a surtout servi de plateforme pour organiser des rencontres et des échanges permettant d’élucider le concept de science frugale.

Sa démarche a été participative. Ainsi, lors de la phase de conception, les objets évoqués dans l’exposition ont été fabriqués par les visiteurs à l’occasion d’ateliers thématiques.

L’exposition est ensuite entrée dans une phase d’exploration : chaque événement, rencontre, atelier, ou résonance avec l’actualité a permis d’enrichir et de faire évoluer son contenu et sa forme jusqu’au jour de sa fermeture. Ainsi, les autopsies de lecteurs de disques réalisés en ateliers deviennent des objets exposés, tout comme le paperfuge (centrifugeuse de papier) qui a intégré l’exposition suite à la publication de l’article scientifique de Manu Prakash.

 

PSL_PSL-Explore_science frugale_ inauguration

"Lors de l'inauguration de l'exposition, table ronde sur la science frugale, occasion de rencontres"

Avec Marc Fournier (bio-hacker), Aliénor Lahlou (étudiante), Céline Martineau (médiatrice), Olivier de Fresnoye (entrepeneur). ESPGG, tous droits réservés.

 

Le blog de l’exposition reste accessible en ligne ; il retrace le parcours de l’exposition et les nombreux événements qui l’ont jalonné.

Tous les projets et les publications sur le thème de la science frugale découverts pendant la construction de l’ exposition in situ sont accessibles sur une page dédiée.

La plupart des projets présentés dans l’exposition à l’ESPGG ou dans cette exposition virtuelle sont documentés en détail dans des sites de partage de codes et de “recettes” de fabrication open source, parmi lesquels GitHub, lnstructables, Hackteria, Appropedia, Hackaday, Thingiverse. Les liens spécifiques aux sources se trouvent dans chaque élément de l’exposition. ​

La philosophie du réemploi

La science frugale donne une nouvelle vie à de nombreux objets de la vie courante comme les lecteurs CD/DVD, les scanners, les ordinateurs, ou les imprimantes. Leurs composants sont réutilisés pour créer des instruments scientifiques suffisamment précis pour servir à l'enseignement, voire à la recherche.

frise

 

L'ingénieur américain Joshua Pearce et son équipe au Michigan Tech sont parvenus à fabriquer un microscope 3D en combinant une imprimante 3D et un microscope conventionnel attaché au bras d'impression.

 

   micro micro 3

"Images obtenue par microscope 3D"

Joshua Pearce, Michigan Tech, tous droits réservés.

 

micro

Les instructions pour réaliser ce dispositif sont gratuites et open source (accessibles à tous). Elles permettent la fabrication d'un instrument scientifique de précision suffisamment exact pour répondre à la plupart des besoins dans de nombreuses disciplines, à un coût dix à trente fois inférieur aux instruments du commerce.

 

"Microscope 3D"

Joshua Pearce, Michigan Tech, tous droits réservés.

Imprimer des analyses médicales

La microfluidique permet de réaliser de nombreuses analyses biologiques (de sang, d'urine, etc.) sur des petites surfaces comme, par exemple, des bandelettes de papier.

L'équipe d'AIIison Ranslow (Université de Pennsylvanie) travaille actuellement au détournement d'une imprimante jet d'encre qui permettrait l'impression simple, rapide et à moindre coût de bandelettes de test pour la détection de diverses maladies.

Ce système est facile à transporter et demande moins de matériel que les tests déjà présents sur le marché. Il pourrait donc être utilisé dans les zones où l'accès au diagnostic est limité.

Piège optique

Un piège optique est un instrument de recherche utilisé pour manipuler des objets microscopiques lors d'une observation au microscope. Un faisceau laser permet d'attirer les éléments (des cellules, par exemple) et de les déplacer.

Cet instrument est coûteux pour les laboratoires. Pour y remédier, Aditya Kasukurti et une équipe de chercheurs de l’École des Mines du Colorado (États Unis) ont réalisé un piège optique en utilisant des composés récupérés dans un lecteur DVD (un laser, une lentille et un focaliseur).

Gaudi

 

Le GaudiLab, un espace de recherche ouvert né à Lucerne, en Suisse, a réduit davantage le coût de fabrication en remplaçant le microscope présent dans le dispositif par une webcam détournée. 

Une mini-centrifugeuse est un instrument scientifique couramment utilisé par les laboratoires de biologie afin de séparer des cellules. Dans le cas de la version 3D, un moteur issu d’un mini-drône et une carte Arduino pour la programmation informatique permettent le fonctionnement de l’appareil.

 

minicentri    centr

"Mini-centrifugeuse (à gauche) et ses pièces imprimées en 3D (à droite)"

ProgressTH, tous droits réservés.

 

La mini-centrifugeuse, issue de DIYBio, mouvement maker en biologie, est entièrement imprimée en 3D. Sa fabrication ne coûte qu’une trentaine d’euros. Toutes les informations pour le montage de l’objet sont disponibles en ligne et open-source.

 

            

 

Instruments à moindre coût

Chercher à réduire les coûts de fabrication des instruments et des équipements de laboratoire est indispensable pour les rendre accessibles au plus grand nombre.

La solution consiste souvent à fabriquer soi-même ses instruments, ce qui permet de les adapter à ses besoins spécifiques et de profiter des ressources disponibles localement (dans le laboratoire, le centre médical, ou n’importe quel lieu où l’on souhaite effectuer des recherches).

frise

 

«Chère à Pierre-Gilles de Gennes, la physique du coin de table rassemble tout un ensemble d'expériences démonstratives qui font connaitre et aimer la physique avec de petits moyens expérimentaux.

C'est aussi une façon pour le chercheur d'explorer une idée nouvelle souvent avec des jeunes, avant un projet qui pourra mener beaucoup plus loin :

Faire rebondir une goutte sur une surface liquide elle-même secouée, promener un crayon dans une bulle de savon, froisser et déchirer des feuilles de papier : des ouvertures vers la physique quantique, la mécanique des fluides et celle des solides.»

Etienne Guyon, ESPCI Paris,
Directeur Honoraire, ENS

Sur les pas de Pierre-Gilles de Gennes, plusieurs chercheurs de l'ESPCI Paris développent une créativité expérimentale hors du commun.

 

"José Bico et l'instrumentation frugale"

Un microscope en open source

trendAndré Maia Chagas et son équipe de l’association Trend in Africa travaillent sur la réalisation d’un microscope à moindre coût.

 

Utilisant l’impression 3D, un Raspberry Pi (un nano-ordinateur à bas coût à peine plus grand qu’une carte de crédit) et un module Arduino pour le traitement informatique de l’image, le dispositif, appelé FlyPi, présente une fabrication relativement simple et en open source (code source et manuel de fabrication en accès libre).

 

"André Maia Chagas et la science frugale"

 
Microscope imprimé

La particularité du microscope ci-contre, réalisé par impression 3D, est qu'il utilise du plastique, matériau dont la souplesse permet d’avoir un plateau d'un seul bloc.

James Sharkey et l’équipe de biologie de synthèse de l’Université de Cambridge expliquent que cela stabilise le plateau quelles que soient les conditions environnementales, telles que la chaleur ou l’humidité.

Cet outil permet de mener à moindre coût des recherches qui nécessitent l'utilisation de plusieurs microscopes en parallèle, et peut être employé par des laboratoires manipulant des substances dangereuses ou des bactéries pathogènes, où le matériel doit obligatoirement être jetable.

 

Foldscope

Le bio-ingénieur Manu Prakash a créé au Massachusset Institute of Technology (MIT) un microscope imprimable en carton, LED et lentilles optiques, “Foldscope”.

Le microscope se fabrique comme un origami. Pendant sa confection, le pliage du microscope permet un alignement des parties optiques pour obtenir un instrument résistant, qui peut être assemblé en 10 minutes, pour un total d’un dollar. Il est possible d'ajouter des accessoires pour augmenter les capacités d'imagerie (par exemple, des LED pour la fluorescence).

L'objectif est de permettre son utilisation dans les régions aux ressources limitées. Ainsi, Foldscope a été utilisé pour identifier des œufs de ravageurs agricoles en Inde, pour détecter les bactéries dans des échantillons d'eau et dans des projets éducatifs partout dans le monde.

foldscope

"Foldscope"

Manu Prakash, tous droits réservés.

 

Technologies de pointe

La science frugale s'appuie sur le développement de technologies comme l'impression 3D, les LED (diodes électroluminescentes) ou encore les modules Arduino ou Raspberry Pi. Ces technologies facilitent la création, la miniaturisation, le partage et la réduction des coûts.

techno

 

Spectromètre RamanPi

Un spectromètre Raman est un instrument qui permet d'identifier les composants moléculaires d'un échantillon. Il coûte au minimum 15 000 euros.

Un ingénieur américain (sous le pseudo fl@c@) propose une version accessible à moins de 1 000 euros, en utilisant un mini ordinateur Raspberry Pi pour le traitement des données et l'impression 3D pour la fabrication de la structure du spectromètre et de certaines pièces.

Raman

 

 

RamanPi est encore dans une phase expérimentale : il reste à ce jour des améliorations à apporter à l'instrument pour que les données soient fiables et reproductibles.

 

 

 

"Le spectromètre RamanPi"

fl@c@, tous droits réservés.

Biropette

L’impression 3D permet de dupliquer rapidement et à bas coût des objets plastiques du commerce. Grâce à cette technologie, il devient facile de modifier le plan des objets avant impression afin de l’adapter aux ressources disponibles ou à un projet de recherche spécifique.

trend L’association TReND in Africa a adopté cette méthode en proposant les plans d’une pipette de laboratoire imprimable et, surtout, dont on peut choisir le diamètre, le niveau de précision et l’embout.

 

Le projet E-FABRIK’ associe des jeunes et des personnes en situation de handicap qui, ensemble, imaginent et produisent une solution concrète et à faible coût pour répondre à une gêne qu’éprouve la personne en situation de handicap au quotidien. Ensemble, ils apprennent ainsi à utiliser les outils et les espaces de fabrication numérique accessibles dans leur ville.

e-fabrikNé dans le milieu de la médiation scientifique, ce projet a évolué en fonction des besoins exprimés par les participant-e-s. L’utilisation du numérique et la fréquentation des FabLabs (lieux de fabrication ouvert, mettant à disposition du public des machines-outils pilotées par ordinateur pour la conception et la réalisation d'objets) garantissent la conception d’un objet de qualité et parfaitement adapté à chaque projet.     

 

fete

"Grande fête E-Fabrik"

E-Fabrik, tous droits réservés.

 

Les potentiels du smartphone

Si le smartphone n'est pas en soi un objet low cost (à faible coût), il est omniprésent. On parle dans ce cas de “technologie ambiante”. Aux capteurs déjà présents dans le téléphone (capteurs de son, d'image, d'accélération, de lumière, de température, de champ magnétique, gyroscopes, GPS, etc.) peuvent s'ajouter des applications et des modules connectés. Ces capteurs sont des instruments de mesures performants capables dans certains cas de se substituer aux appareils de mesures des laboratoires.

Le téléphone rend ainsi la recherche accessible à chacun, directement depuis sa poche.

frise                            

Les multiples capteurs des smartphones peuvent être détournés pour réaliser des expériences scientifiques en mécanique, en optique ou en acoustique.

L’Espace des Sciences Pierre-Gilles de Gennes a organisé fin 2016 une conférence expérimentale sur ce sujet avec Ulysse Delabre et Antoine Deblais (Université de Bordeaux). Leurs démonstrations en direct permettent d’apprendre à mesurer la vitesse du son ou la constante de gravitation avec son smartphone, ou encore de comprendre comment transformer son smartphone en microscope.

 

"La smartphonique : faire des sciences avec son smartphone"

Conférence expérimentale de l'ESPCI Paris, 10 octobre 2016

Microscope à 10 euros

Grâce à sa caméra et à son écran, le smartphone peut être transformé en microscope.

De nombreux tutoriels sont disponibles sur internet pour décrire la marche à suivre.

Après ajout d’un support et d'un système de lentilles optiques, que l’on peut par exemple récupérer en démontant un lecteur DVD ou une souris d’ordinateur, le microscope digital ainsi fabriqué permet de réaliser des observations, rapides et faciles.

D’après les plans proposés par le maker Yashinok, le microscope digital coûte environ 10 euros, pour un grossissement allant jusqu’à x 375.

 

Observation de la rétine

Peek Vision est une fondation pour l'amélioration du traitement des déficiences visuelles dans les zones où la population est éloignée des villes et des médecins spécialistes.

Peek

Ils ont créé PEEK, un système de lentilles que l'on attache sur un smartphone pour réaliser une observation de la rétine et du fond de l'œil.

La qualité de l'image est suffisante pour permettre un diagnostic précis. Les résultats sont communicables par wifi. Une application guide l'examen, qui est ainsi réalisable par un médecin non spécialiste, ou par le patient lui-même.

L'application propose également des tests de vision, ce qui diminue le matériel à transporter.

Écho-stéthoscope de terrain

EchOpen est une association qui rassemble une communauté de médecins, ingénieurs, physiciens, makers et citoyens autour d'un projet d'écho-stéthoscope à bas coût.

Un écho-stéthoscope est un appareil d’imagerie médicale qui permet notamment de réaliser des échographies. L'objectif est de le concevoir petit, mobile et open source. Le smartphone permet à la fois le traitement et la visualisation des données de l'écho-stéthoscope.

L'idée n'est pas de remplacer un appareil d'échographie classique, mais de rendre la technique de l'échographie accessible à tous, dans le cadre de l'aide à l'orientation diagnostique.

Communautés de Science Frugale

La science frugale s'enrichit par le partage des savoirs. Tandis que les sciences participatives impliquent les citoyens dans la recherche (par la mesure et la collecte de données, ou l'identification des besoins de recherche), l'open science, ou science ouverte, facilite la diffusion et l'appropriation des connaissances par tous (chercheurs et citoyens).

Ces communautés auto-organisées de scientifiques garantissent la fiabilité des recherches qui ne sont pas toujours soumises au peer review (l'examen par d'autres scientifiques avant la publication des résultats).

frise

 

Malette Biolab

Le collectif catalan GynePunk a mis au point une mallette appelée Biolab contenant des outils à réaliser soi-même pour analyser les fluides corporels et ainsi pratiquer des examens gynécologiques d'urgence.

Composée d'une centrifugeuse, d'un microscope et d'un incubateur, cette mallette est destinée aux populations féminines n’ayant pas, ou difficilement, accès aux soins : migrantes et travailleuses du sexe, par exemple.

Speculum

 

Pour réaliser ce kit, GynePunk a collaboré avec le réseau suisse Hackteria mais également avec le GaudiLab. Ainsi, Urs Gaudez (membre d'Hackteria et de GaudiLab) complète cette mallette en proposant les plans de fabrication d'un spéculum (en impression 3D) disponible sur le site Thingiverse.

      

"Spéculum en impression 3D"

Gaudi, tous droits réservés.

PSL_PSL-Explore_science frugale_Sites

 

Puisque le partage et la circulation de l’information sont au coeur de la Science Frugale, il est logique que des sites internet répertorient les différents projets et facilitent les approches collaboratives.

Véritables bibliothèques, des sites tels que lnstructables, Hackteria, Appropedia, Hackaday, Thingiverse ou encore Plos donnent accès à des bases de données open source réunissant différents protocoles de fabrication d'instruments de recherche.

Ces sites, souvent à l'initiative d'associations ou de FabLabs, ont le triple objectif de rendre les connaissances accessibles à tous, de favoriser les échanges d'expériences et de générer des opportunités de collaboration.

iSpex

Lorsqu'il s'agit d'étudier la qualité de l'eau, de l'air, ou de l'atmosphère, les mesures scientifiques professionnelles sont limitées dans le temps et l'espace.

Impliquer les citoyens dans la prise de mesures permet de résoudre ce problème. Frans Snik et son équipe de l’Université de Leiden ont ainsi proposé aux citoyens des Pays-Bas d'ajouter le dispositif optique iSPEX (fabriqué en masse et peu coûteux) à leur smartphone pour réaliser des analyses environnementales.

ispex

 

Guidés par l'application associée, plusieurs milliers de Hollandais ont ainsi participé à la cartographie des aérosols présents dans l'atmosphère de leur région.

 

 

"Dispositif iSPEX sur un smartphone"

iSPEX, tous droits réservés.

Projet CITicks

Dans le domaine de la recherche, la connaissance des maladies transmises par les tiques afin d’en prévenir les risques reste assez limitée.

Afin de pallier à ces difficultés, France Lyme et l’INRA (Institut national de la recherche agronomique) lancent le premier projet de recherches participatives sur le sujet.

Dans un premier temps, CITicks propose aux citoyens d’imaginer l’application mobile idéale. Une fois mise à disposition, celle-ci permettra à chacun de collecter et transmettre des informations sur les tiques de nos régions, et participer activement à la recherche. L’exposition “Science Frugale” a contribué à ces travaux de recherche en organisant des ateliers living lab de co-construction de cette application regroupant des chercheurs, des enseignants, des développeurs, ou des randonneurs.

 

Science Frugale et éducation

L'éducation et la médiation des sciences contribuent à sensibiliser le grand public aux disciplines et à la méthode scientifiques.

L'approche frugale permet l'apprentissage et la diffusion des connaissances, à travers des expériences pratiques et ludiques à moindre coût, réalisées avec du matériel facile à se procurer. Elle permet ainsi de compenser des manques de moyens grâce à l’exploitation des ressources à disposition.

frise

 

Microscope

Le physicien Julien Bobroff utilise l'approche frugale pour enseigner la physique fondamentale à l’Université Paris-Sud.

Ses étudiants réalisent des travaux pratiques avec du matériel limité et peu coûteux (Arduino, petit matériel de laboratoire, etc.). Ils doivent par exemple fabriquer un appareil permettant de mettre en évidence et mesurer un phénomène physique. Si le niveau de précision de ces instruments ne remplace pas celui du matériel de laboratoire, leurs résultats demeurent significatifs.

Cette approche amorce la mise en place de travaux pratiques accessibles à tous, chez soi, en particulier dans le cadre de cours en dehors des écoles (MOOC par exemple).

 

Travaux pratiques à l'ESPCI

À l’ESPCI Paris, les étudiants abordent la mécanique des fluides à travers des mini-projets à l’approche frugale.

Ces projets complètent des cours traditionnels et des travaux pratiques inspirés des expériences de recherche des laboratoires. Les étudiants sélectionnent un thème avec leur tuteur, développent leur propres questionnements scientifiques et tentent d’y répondre par des expériences réalisables à la maison, qui exigent ingéniosité et créativité. Il s’agira par exemple d’étudier le freinage d’un parachute, la mécanique d’une bombe à eau ou le bruit d’écoulement d’une bouteille.

 

"La recherche frugale à l'ESPCI Paris, Fabrice Lemoult"

 

 

 

Enseigner l'astronomie

L’association Astronomers Without Borders vise à développer l'enseignement de l'astronomie dans les pays à faibles ressources. Leur objectif est de réunir des fonds pour permettre l'acquisition de matériel d'observation, la réparation des observatoires existants et la promotion des sciences et de l'astronomie dans les écoles et les villages, par exemple en distribuant des lunettes en cartons permettant l'observation du soleil.

Leur projet Telescopes to Tanzania donne un large accès à des télescopes fabriqués à bas coût et a permis de créer un Centre pour l'Éducation des Sciences au sein de l'Observatoire de Tanzanie.

 

"Dave Lollman - Armoire de TP de Physique"

À propos

Une exposition proposée par :

L'Espace des Sciences Pierre-Gilles de Gennes   PSL_PSL-Explore_science frugale_logoESPGG

PSL-Explore, le site de diffusion des savoirs de Paris Sciences & Lettres    PSL_PSL-Explore_science frugale_logoPSL-Explore 

ESPCI Paris    PSL_PSL-Explore_science frugale_logoESPCI

 

Un projet soutenu par Paris Sciences & Lettres et la région Île-de-France et parrainé par la Société Française de Physique.

PSL_PSL-Explore_science frugale_logoIDF                 PSL_PSL-Explore_science frugale_logoSFP                       Logo PSL explore

 

Commissariat Scientifique :
 
Roberto CASATI, Directeur de recherche CNRS, Directeur des études EHESS, Institut Jean Nicod (CNRS –  EHESS – ENS)
Joël CHEVRIER, Professeur de physique, Université de Grenoble, Centre de Recherche Interdisciplinaire de Paris
Etienne GUYON, Professeur émérite, Laboratoire PMMH de l’ESPCI Paris
Yohann MACHU, Président de l’association étudiante Langevinium, ESPCI Paris – PSL
Luisa MASSARANI, Présidente de REDPOP, Responsable Amérique Latine de SCIDEV.NET
François PIUZZI, Ancien Chercheur du CEA, Responsable de la commission Physique(s) sans Frontière à la Société Française de Physique

 

Partenaires :

Société Française de Physique

EchOpen

TRenND in Africa

WoeLab

 

Les associations étudiantes :

Langevinium

Go To Togo

PC Coup d'Pouce

 

Graphisme et création/animation web : 

Nathan Morel

 

Illustration :

Colette Pitois

 

Scénographie :

StudioMillimètre