La r´ealit´e virtuelle entretient des liens ´etroits avec les notions de simulation, d’exp´erience et de cognition. Cela en fait un domaine privil´egi´e pour appr´ehender les syst`emes complexes et par cons´equent, un candidat `a l’´etude des ph´enom`enes biologiques. Il convient alors d’exposer clairement les concepts de la r´ealit´e virtuelle.
Dans cette section, nous commen¸cons par nous attarder sur l’appellation ambig¨ue de cette branche de l’informatique. Nous la d´efinissons ensuite, et d´ecrivons l’outil qui en d´ecoule : l’exp´erimentation in virtuo. Nous constatons qu’il s’agit l`a d’un outil de choix pour la biologie et les sciences interdisciplinaires.
3.2.1 Etymologie´
Construite sur l’opposition du sens courant de ses deux composantes, la formule r´ealit´es virtuelles est absurde. Qui vous parlerait de la couleur blanc-noir vous apparaˆıtrait comme un esprit confus ne sachant pas lui-mˆeme, en associant un mot et son contraire, de quoi il veut parler. Certes, en toute rigueur, virtuel et r´eel ne sont pas en opposition. Le virtuel, du latin virtus (vertu, force), est ce qui est en puissance dans le r´eel, ce qui a en soi toutes les conditions essentielles `a sa r´ealisation ; mais alors, que peut bien ˆetre une r´ealit´e qui a en soi toutes les conditions de sa r´ealisation ? Vue sous cet angle, la formule est encore plus inepte. C. Cadoz, Les r´ealit´es virtuelles [Cadoz, 1994].
L’expression anglo-saxonne virtual reality est propos´ee pour la premi`ere fois en juillet 1989, lors d’un salon professionnel4, par Jaron Lanier, alors responsable de la soci´et´e VPL d´emontrer.
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Research, sp´ecialis´ee dans les p´eriph´eriques d’immersion. Il forge cette expression dans le cadre de la strat´egie marketing et publicitaire de son entreprise, sans chercher `a en donner une d´efinition tr`es pr´ecise. En anglais, selon le BBC English Dictionary (HaperCollins Publishers, 1992), Virtual : means that something is so nearly true that for most purposes it can be regarded as true, also means that something has all the effects and consequences of a particular thing, but is not officially recognized as being that thing. Ainsi, une virtual reality est une quasi-r´ealit´e qui a l’apparence et le comportement d’une r´ealit´e mais qui n’en est pas une : il s’agit plutˆot d’un ersatz ou d’un succ´edan´e de r´ealit´e. La traduction litt´erale de l’expression anglo-saxonne donne en fran¸cais le terme r´ealit´e virtuelle, qui devient alors une expression absurde et inepte, comme le souligne la citation plac´ee en exergue de cette section. En effet, selon Le Petit Robert (´Editions Le Robert, 1992), Virtuel : [qui] a en soi toutes les conditions essentielles `a sa r´ealisation. Une r´ealit´e virtuelle serait donc une r´ealit´e qui aurait en soi toutes les conditions essentielles `a sa r´ealisation ; ce qui est bien le moins pour une r´ealit´e ! Ainsi, de l’anglais au fran¸cais, le terme de r´ealit´e virtuelle est devenu ´equivoque. Il rel`eve du proc´ed´e rh´etorique appel´e oxymoron, qui consiste `a r´eunir deux mots qui semblent contradictoires. Ce type de construction donne `a l’expression un caract`ere inattendu qui, nous devons bien en convenir, est plus m´ediatique que scientifique. L’usage de l’adjectif (( vicariant5
)) aurait ´et´e plus ´exact quant `a la traduction de virtual [Fuchs et al., 2001]. D’autres expressions telles que cyber-espace [Gibson, 1980], r´ealit´e artificielle [Krueger, 1983], environnement virtuel [Ellis, 1991], monde virtuel [Holloway et al., 1992], sont ´egalement propos´ees, mais l’antonymie r´ealit´e virtuelle reste encore tr`es largement utilis´ee comme le montre une rapide recherche sur la Toile. Un autre point de vue consiste `a consid´erer le r´eel comme ce qui existe par soi-mˆeme ind´ependamment du fait que nous puissions le percevoir ou le concevoir (Dictionnaire historique de la langue fran¸caise, Robert, 2000). Une r´ealit´e est alors une repr´esentation du r´eel (un mod`ele) et une r´ealit´e virtuelle serait donc une repr´esentation virtuelle, ce qui est bien le moins pour un mod`ele ! L’expression r´ealit´e virtuelle devient alors un pl´eonasme [Mellet d’Huart, 2004].
Entre oxymoron et pl´eonasme, ces ´equivoques entretiennent la confusion. Heureusement la communaut´e des chercheurs en r´ealit´e virtuelle la d´efinit assez rigoureusement.
3.2.2 D´efinitions
La premi`ere d´efinition est une d´efinition th´eorique fonctionnelle donn´ee par P. Fuchs dans le trait´e de la r´ealit´e virtuelle [Fuchs et al., 2003] : La r´ealit´e virtuelle permet `a l’utilisateur de s’extraire de la r´ealit´e physique pour changer virtuellement de temps, de lieu et(ou) de type d’interaction : interaction avec un environnement simulant la r´ealit´e ou interaction avec un monde imaginaire ou symbolique. Cette d´efinition est compl´et´ee par une d´efinition technique plus concr`ete : les techniques de la r´ealit´e virtuelle sont fond´ees sur l’interaction en temps r´eel avec un monde virtuel, `a l’aide d’interfaces comportementales permettant l’immersion (( pseudo naturelle )) de l’utilisateur dans cet environnement.
Pour relever de la r´ealit´e virtuelle (RV) une application informatique doit donc poss´eder les attributs/propri´et´es suivantes :
Un monde virtuel : C’est la repr´esentation d’une r´ealit´e : le mod`ele d’´etude.
Le temps r´eel : L’´ecoulement du temps virtuel doit ˆetre maˆıtris´e (i.e. ´equivalent ou
5D’apr`es le Petit Robert(Editions Le Robert, 1992) : Qui remplace, qui se substitue `a autre chose. En biologie on parle ´egalement du rˆole vicariant d’un organe capable de suppl´eer `a l’insuffisance fonctionnelle d’un autre organe.
R´ealit´e virtuelle et biologie : Quels concepts ?
tout au moins proportionnel au temps r´eel). Par exemple, dix secondes du temps r´eel (celui de notre montre) peuvent correspondre `a une seconde de temps virtuel (celui du monde virtuel).
L’immersion : L’application doit exercer une action permettant `a l’utilisateur de perce-voir (avec ses sens) le monde dans lequel il se trouve. Nous parlons alors de m´ediation des sens. Un ´ecran est bien sˆur l’interface la plus simple qui vient `a l’esprit.
L’interaction : `A tout moment, l’application doit permettre `a l’utilisateur d’agir sur le monde virtuel. Nous parlons de m´ediation de l’action. Le temps de latence concernant la prise en compte d’une action doit bien sˆur ˆetre minimis´e et adapt´e `a l’application consid´er´ee. La souris et le clavier sont ici les outils d’interface les plus communs.
Finalement, ces deux d´efinitions permettent de d´efinir assez largement le domaine et ce qui rel`eve de la RV. Face `a une application de RV l’utilisateur subit ainsi l’action d’une certaine r´ealit´e. Il per¸coit ´egalement les effets de ses actions sur l’action qu’a cette r´ealit´e sur lui. Il fait ainsi l’exp´erience de cette r´ealit´e en r´ealisant l’´enaction. Nous avons alors relev´e deux types de m´ediation, celle des sens et celle de l’action. Remarquons que ces deux m´ediations indissociables dans le concept d’´enaction, impliquent malgr´e tout deux propri´et´es distinctes pour un programme informatique. Ces propri´et´es satisfaites, la RV permet alors un nouveau mode d’investigation des mod`eles num´eriques : l’exp´erience in virtuo.
3.2.3 L’exp´erience in virtuo...
L’expression in virtuo (dans le virtuel) est un n´eologisme construit par analogie avec les locutions in vivo, in vitro et in silico. Nous avons d´ej`a pr´esent´e l’usage de l’expression in silico (voir section 2.3) pour qualifier les calculs sur ordinateur ; cependant, in silico n’´evoque pas la participation de l’homme `a l’univers de mod`eles num´eriques en cours d’ex´ecution : c’est pourquoi nous lui pr´ef´erons in virtuo qui, par sa racine commune, rappelle les conditions exp´erimentales de la r´ealit´e virtuelle [Tisseau, 2001].
D´epassant la simple observation de l’activit´e du mod`ele num´erique en cours d’ex´ecution sur un ordinateur, l’utilisateur peut tester la r´eactivit´e et l’adaptabilit´e du mod`ele en fonc-tionnement, tirant ainsi profit du caract`ere comportemental des mod`eles num´eriques. Ce type d’exp´erimentation/exp´erience est appel´e : l’exp´erimentation in virtuo. Elle permet donc de pratiquer pleinement l’exp´erience, telle que nous l’avons d´efinie (voir section 3.1.2).
Une exp´erimentation in virtuo est ainsi une exp´erimentation conduite dans un univers virtuel de mod`eles num´eriques en interaction et auquel l’homme participe. La r´ealit´e vir-tuelle implique pleinement l’utilisateur dans la simulation, rejoignant ainsi l’approche de la conception participative qui pr´ef`ere voir dans les utilisateurs des acteurs humains plutˆot que des facteurs humains. Une telle simulation participative en r´ealit´e virtuelle met en œuvre des mod`eles de types diff´erents mod`eles) issus de domaines d’expertise diff´erents (multi-disciplines). Elle est souvent complexe car son comportement global d´epend autant du com-portement des mod`eles eux-mˆemes que des interactions entre mod`eles. Enfin, elle doit inclure le libre arbitre de l’utilisateur humain qui exploite les mod`eles en ligne.
L’exp´erimentation in virtuo implique ainsi un v´ecu que ne sugg`ere pas la simple analyse de r´esultats num´eriques. Entre les preuves formelles a priori et les validations a posteriori, se place une r´ealit´e virtuelle v´ecue par l’utilisateur qui peut ainsi franchir le cap des id´ees re¸cues pour acc´eder `a celui des id´ees v´ecues. La figure 3.1 replace l’exp´erimentation in virtuo dans le contexte de la mod´elisation.
simulation Modèle domaine modélisation compréhension raisonnements in abstracto Modèles formels théories Modèles perceptifs intuitions in petto imaginaires expérimentations in vitro Modèles analogiques maquettes expérimentations in virtuo Modèles numériques programmes expérimentations in vivo Phénomènes réels prototypes comportements numérisation similitudes analogies création analogique création numérique perceptions impressions formalisation
prédictions conception analogique
conception numérique
R´ealit´e virtuelle et biologie : Quels concepts ?
in vivo in vitro in silico in virtuo
Modèle
Modèle
Modèle Modèle
Fig. 3.2:Les diff´erents modes d’investigation du vivant.
3.2.4 ...pour la biologie.
L’exp´erience in virtuo nous apparaˆıt alors comme un outil de choix pour l’´etude des mod`eles du vivant (et par extension pour l’´etude du vivant lui mˆeme). Citons alors quelques possibilit´es, certes d´ej`a sugg´er´ees par la (( simple )) simulation, mais renforc´ees par ce nouvel outil ´elevant le niveau d’exp´erience autoris´e.
D’abord, l’exp´erimentation in virtuo favorise l’acte de mod´elisation. Son champ d’applica-tion multi-mod`eles permet de rassembler une grande partie de l’´etat des connaissances sur un sujet particulier, au sein d’un mˆeme mod`ele. Se faisant, le mod´elisateur transforme un savoir souvent construit comme une apposition de connaissances isol´ees, en un ensemble articul´e. Cela permet notamment de mettre `a jour les incoh´erences des connaissances bibliographiques en biologie. Il est `a noter, nous le verrons par la suite, que les actes de mod´elisation et d’exp´erimentation ne sont pas n´ecessairement dissoci´es (grˆace `a la m´ediation de l’esprit, voir section 3.3.2.2 )
Ensuite, la manipulation de mod`eles th´eoriques mat´erialis´es dans l’univers virtuel poss`ede des tr`es bonnes vertus p´edagogiques. En cela, elle favorise la collaboration entre chercheurs et donc le travail interdisciplinaire. Nous pouvons d´ecrire deux niveaux de collaboration pour lequel le mod`ele in virtuo est un bon m´edia. Le premier niveau permet l’´echange et la collaboration entre mod´elisateurs sp´ecialistes des divers domaines cloisonn´es de la biologie. Le second permet l’´echange entre les biologistes th´eoriciens et ceux plus habitu´es `a la paillasse. Par exemple, les scientifiques rompus aux techniques de la biologie cellulaire ne poss`edent pas suffisamment d’expertise en math´ematiques, en chimie, en physique ou en informatique pour g´en´erer des pr´edictions quantitatives `a partir des mod`eles. Les biologistes th´eoriciens ou syst´emiciens sont eux plus souvent habitu´es aux sciences physiques, mais ont du mal `a communiquer avec les exp´erimentateurs (par exemple, un diagramme de bifurcation ne peut pas servir de base au langage commun).
Enfin, en plus de permettre l’´enaction du mod`ele num´erique repr´esentant l’´etat des connaissances d’un ph´enom`ene, l’exp´erience in virtuo permet la formulation de nouvelles hypoth`eses, de nouvelles pistes pour l’exp´erimentation sur le syst`eme r´eel. Car, les mod`eles des syst`emes biologiques complexes sont eux aussi suffisamment complexes pour m´eriter d’ˆetre ´etudi´es par cette d´emarche qu’est l’exp´erience. Il nous reste cependant `a d´efinir quels outils
permettent l’exp´erience in virtuo.