Study and Design of a New Tool with Mixed Realities and Force Feedback to Touch and Manipulate Nanoworlds
Conception et réalisation d'un nouvel outil à réalité mixte et retour d'effort pour toucher et créer les nanomondes
Résumé
The recent introduction of virtual realities into scientific data processing tools inaugurates a major turning in the history of the man machine interfaces, by allowing a real-time interaction with virtual spaces. ln parallel, the emergence of nanosciences requires the installation of innovative tools which, beyond the measurement and classical data display, will allow action and understanding at a scale where physical phenomena are singular and typically intangible. This work aims to develop of a nanomanipulator, an instrumental interface of augmented reality based on the coupling of an Atomic Force Microscope, a simulator and a multisensory platform. This nanomanipulator conforms like a real tool allowing to interact naturally and directly with the environment of the nanoworld. The multisensoriality is allowed by the real-lime rebuilding of a mixed space (real and virtual), energetically and dynamically coherent, where the user can interact with force feedback, animated images and sounds. Reality is increased thanks to the insertion of virtual mass-point physical models, interacting conjointly with the user and nanoscene. The modularity and the opening of this instrument are presented, besides the issues induced by the scaling and by the technological and modeling systems. The teaching impact of such a device, for the formal training of intangible physical phenomena, within a practical teaching framework in nanophysic, constitutes a first evaluation of the tool. Its potential for research was highlighted through some applications of determination of real nanometric situations through recursive modeling and sensory comparisons with their virtual counterparts.
L'introduction récente des réalités virtuelles dans les outils informatiques scientifiques inaugure un tournant majeur dans l'histoire des interfaces homme-machine, en permettant l'interaction temps réel avec des espaces virtuels. Or l'émergence des nanosciences requiert la mise en place d'outils novateurs qui, au-delà de la mesure et de la représentation classique de données, permettront l'action et la compréhension à une échelle où les phénomènes physiques sont singuliers et typiquement intangibles. Ce travail vise au développement d'une interface instrumentale de réalité augmentée basée sur un Microscope à Force Atomique. Ce nanomanipulateur se conforme comme un outil réel permettant d'interagir naturellement avec le nanomonde. La multisensorialité est permise par la reconstruction temps-réel d'un espace mixte (réel et virtuel), énergétiquement et dynamiquement cohérent, où l'utilisateur peut interagir avec un retour de force, d'images animées et de sons. La réalité est augmentée par insertion de modèles physiques particulaires virtuels, interagissant à la fois avec l'utilisateur et la nanoscène. La modularité et l'ouverture de cet instrument sont exposées, ainsi que les problèmes induits par le changement d'échelle et par les systèmes technologiques et de modélisation. L'impact pédagogique, dans l'apprentissage formel de phénomènes physiques non tangibles en enseignement pratique en nanophysique, constitue une première évaluation de l'outil. Son potentiel pour la recherche s'est affirmé à travers quelques applications de détermination de situations nanométriques réelles par modélisations récursives et comparaison sensorielle avec leurs homologues virtuels.