ואולם, מארה נתקל במהרה במגבלות השיטה הגרפית שלו: היא לא הייתה יכולה לספק את כל המידע שנזקק לו לניתוח מלא של היחסים המורכבים והרבים של גוף בתנועה. מכשיריו דרשו מגע פיזי ישיר עם האובייקט שאת תנועותיו רשמו, ומגע זה שינה, עיוות ואף ביטל חלק מהתנועות שעניינו אותו, במיוחד את תנועות הכנף של ציפור במעופה. כאשר התוודע לשיטות צילום התנועה שפיתח מויברידג', הבין שהצילום הוא הכלי המתאים לרבים ממחקריו.
מארה והמצאת הכרונופוטוגרפיה.
מארה אימץ את תחום אנימציית הצילום ופיתח אותה לכדי תחום מחקר נפרד בשנות השמונים של המאה ה-19, "כרונופוטוגרפיה" (כרונוס - זמן ביוונית, פוטוגרפיה - צילום; כלומר, צילום זמן). החידוש המהפכני היה תיעוד שלבי התנועה השונים על-פני משטח אחד.
גילוי הצילום ככלי לחקר התנועה.
מארה החל להשתמש במצלמה ככלי מרכזי בניסוייו בעקבות הצלם האנגלו-אמריקאי אדוארד מויברידג', שבעצמו החל את מחקרי הצילום שלו בהשפעת עבודתו המדעית של מארה. מארה לא התעניין במיוחד בצילום עד שראה ב-14 בדצמבר 1878, בשבועון המדע הפופולרי "La Nature", את המאמר "דהירת הסוס מיוצגת באמצעות צילום מהיר". במאמר נכללו תמונותיו של מויברידג', שהציגו סדרת תצלומים של סוסים מדלגים ודוהרים.
מויברידג' עבד כצלם בחוות הסוסים של לילנד סטנפורד משנת 1872. סטנפורד שאף לפתור את חידת דהירת הסוס, ולהוכיח כי ישנו רגע בו כל פרסותיו ניתקות מהקרקע בעת דהירתו. לאחר שקרא את מאמרו של מארה בנושא, שתמך בעמדתו, החליט סטנפורד לפתח מנגנון צילום שייצור עדות מצולמת לרגע שבו כל רגלי הסוס באוויר. מויברידג' נרתם לפרויקט, וביוני 1878 הם הצליחו לפתח מתקן חדשני: סוללת מצלמות שהוצבה לאורך מסלול הדהירה, ותנועת הסוס גרמה להפעלתה, בעזרת מנגנון אלקטרוני. התוצאה הייתה תריסר תמונות שהציגו את מגוון שלבי תנועת הסוס, ואימתה את ההשערה האינדוקטיבית של מארה.
כשראה מארה את רצף התמונות של מויברידג' בעיתון, הבין מיד שהצילום יכול לשמש להרחבת השיטות הגרפיות שלו. המדען הצרפתי התקשה לרשום בעזרת מכשיריו את תנועתן של ציפורים, משום שמכשיריו דרשו מגע פיזי עם אובייקט המחקר, ומגע זה הפריע לתנועת הציפורים. בנוסף, המגע באובייקט המחקר איפשר למבקריו לטעון שמכשירי הרישום שלו משנים את תנועת האובייקט, במקום לתעד את תנועתו הטבעית. מארה כתב למויברידג' מכתב מעל דפי "La Nature", בירך אותו על הישגו ושאל אם יוכל לעזור לו עם מצלמותיו בפתרון שאלות שמטרידות אותו בקשר למעוף ציפורים. מויברידג' השיב למארה שצילום ציפורים יהיה משימה קשה, אך הוא ינסה לעשות כמיטב יכולתו. מויברידג' המשיך לפתח את מחקריו בארצות הברית, ובין שני האישים נותק הקשר לזמן מה. לאחר שלוש שנים, בסתיו 1881, בעת שמארה עסק במחקרי התעופה שלו, הגיע מויברידג' לאירופה לסדרת הרצאות על תצלומיו. הוא ניפגש עם מארה, שהזמין אותו לפתוח את סדרת ההרצאות במעונו, ב-26 בספטמבר, בפני אנשי מדע ותרבות מובילים. מויברידג' הציג את תצלומיו באמצעות מכשיר הזופרקסיסקופ שפיתח - מעין מקרן שהנפיש את תצלומיו והציג אותם כתמונות נעות - וזכה לתשואות הנוכחים. מארה התאכזב לגלות שבקשתו לתצלום תנועת ציפורים לא נענתה בהצלחה. מויברידג' הביא איתו תמונה של קבוצת ציפורים עפות שהייתה מטושטשת מדי ולא הציגה את רצף תנועות הכנף. מארה פנה לפיתוח מנגנוני צילום משל עצמו ושכלולם. במהרה הוא הבחין בבעייתיות שבשיטת הצילום של מויברידג': כדי למסור תנועה בצורה מדויקת היה על הצילום להראות "את היחסים שמתקיימים בכל רגע בין המרחק שנקלט והזמן שחולף", דבר שסוללת המצלמות של מויברידג' לא אפשרה.
רובה הצילום של מארה.
לאחר שהתוודע לתצלומיו של מויברידג' ולמגרעותיהם, פנה מארה לבנות מצלמה שתציין את הזמן שחלף במקביל לתמונה של תנועת העצם. תוך חמישה חודשים הציג את ה-fusil photographique (רובה הצילום) שלו בפני האקדמיה למדעים בפריז. אז'ן וזל תיאר את רובה הצילום של מארה בשבועון "La Nature", ב-22 במרץ 1879: "ההדק עובד בדומה לרובה, אך במקום להכות בפטיש, הוא פועל על תריס מלבני שחלון מעגלי נוקב במרכזו". "קנה הרובה מורכב מצינור המכיל עדשת מצלמה", הסביר מארה בעת שהציג את המצאתו בפני האקדמיה למדעים; "בגב, מוצמד היטב, מונח גליל אחורי רחב המכיל מנגנון של שעון. כאשר לוחצים על ההדק של הרובה מתחיל המנגנון לפעול, ומניע את כל חלקי המתקן. ציר מרכזי, שמסתובב כתריסר סיבובים בשנייה, מניע את כל חלקי האביזר. החלק החשוב ביותר הוא דיסק אטום שמנוקב חלונות צרים. הדיסק פועל כתריס ומאפשר חדירת אור מהעדשה שתים עשרה פעמים בשנייה, במהירות של 1/720 השנייה כל פעם". מאחורי התריס הונח לוח צילום בצורת עיגול או מתומן, שהסתובב בקצב קבוע. בעת הצילום הוטבעו ברציפות תריסר תמונות בשולי הלוח. מלבד המכניזם המחוכם של הרובה הושגה החשיפה המהירה הודות לרגישות הגבוהה של לוחות ג'לטין ברומיד הכסף ששווקו אז. לוחות יבשים אלו נמכרו לראשונה באופן מסחרי בשנת 1880, וזמינותם גרמה לגל של ניסויים בצילום מהיר ובצילום מדעי של תנועה.
למרות הצלחתו לא היה מארה שבע רצון ממצלמת הרובה, משום שהתצלומים שהפיקה היו מעטים וקטנים מדי, ולעיתים קשים להבחנה. כמו כן, התגלו בעיות טכניות רבות ודחופות במתקן. עם זאת, רובה הצילום סיפק רישום תנועה שונה מהותית מאלה שסיפקו מכשירי הרישום הגרפיים שפיתח קודם לכן. הרישומים הגרפיים לא יצרו תמונות של התנועות שאותן תיעדו, אלא ביטוי גרפי (לרוב קו) נמשך של תנועה, על-פני פרק זמן מוגדר מראש. המצלמה, לעומת זאת, רשמה בתמונות את הצורה החיצונית של התנועה. המצלמה אמנם לא דרשה מגע עם העצם המצולם, אך זאת במחיר קיטוע התנועה ואובדן הייצוג הרציף, הנמשך וה"נוזלי" שלה. על אף שמצלמת הרובה היוותה פריצת דרך חשובה, היא עדיין לא סיפקה את התוצאה שלה קיווה.
מצלמת כרונופוטוגרפיה שבה לוח קבוע.
נוכח אכזבתו מ"רובה הצילום" פיתח מארה מצלמת כרונופוטוגרפיה שונה, שבה לוח צילום קבוע (ולא מסתובב כמו ברובה הצילום). מארה הציג אותה לעמיתיו באקדמיה למדעים אחרי שלושה חודשים, ב-3 ביולי 1882. מנגנון זה הורכב ממצלמה רגילה ששונתה קלות וצוידה בדיסק שסובב בעזרת מנוע קפיץ. בדיסק נפער חלון שתפקד כתריס, וניתן היה להגדילו או להקטינו כדי להתאים את זמן החשיפה לעוצמת האור. בזמן הצילום נמצאה העדשה מול הדיסק המסתובב; כאשר עצם נע מול רקע כהה, מיקומו היה שונה בכל פעם שחלון התריס המסתובב חשף את לוח הצילום, כך שדמותו נקלטה בכל פעם במקום אחר על הלוח, ונוצר רצף של דמויות סמוכות האחת לשנייה על פני אותו הלוח. כאשר התריס הוקטן וסיבוב הדיסק היה איטי, התקבלו הדמויות רחוקות זו מזו על גבי לוח הצילום. כאשר התריס הוגדל והסיבוב היה מהיר, התקבלו דמויות קרובות או חופפות זו על זו.
מארה הפעיל מצלמה זו בתחנה הפיזיולוגית שנבנתה לכבודו בפארק דה פראנס שביער בולון. הוא כיסה בבד קטיפה שחור את קירותיו ותקרתו של האנגר בתחנה. אדם לבוש בלבן ומואר באור שמש ישיר הלך, רץ או קפץ, וכל שלבי תנועתו נרשמו על לוח הצילום. כך צילם מארה גם ציפורים במעופן. ואולם, מארה עדיין לא היה מרוצה: תנועות רבות מדי נותרו לא נגישות למחקר הכרונופוטוגרפי; תנועות מסוימות, איטיות מדי, יצרו רק תמונות מטושטשות וקשות לפענוח או לניתוח. בנוסף, בשיטת צילום זו היה עדיין פגם מרכזי: החלל והזמן, שני המאפיינים העיקריים של התנועה, לא יכלו להימסר בהדגשה זהה. כדי שהעצם המצולם ייראה בבירור, היה על מארה לתעד את שלבי התנועה לאט יותר, וליצור בכך רווח גדול יותר בין התמונות; אם רצה להגדיל את מספר התמונות ולקלוט את מרכיב הזמן והרצף ביתר חיות, היה עליו לצלם בחשיפות סמוכות יותר, אך הדבר גרם לתמונות לחפוף ולעלות זו על זו בצורה מבלבלת. "מהלכו הבא היה לפעול נגד היכולת הפנימית של המצלמה לשעתק את כל הפריטים הנראים לעין", מציינת חוקרת הצילום, מרתה בראון, "שכן בדיוק גודש הפרטים שהוקפאו על ידי מצלמתו של מארי הם שהאפילו על מה שביקש לראות – את הביטוי הנקי של התנועה. מארה נדרש לגבור על שכפול התנועה של המצלמה הדומה לראייה הנורמלית. הפעם שינה את העצם, ולא את המצלמה, ומחק את החפיפות המטרידות".
בדצמבר 1882 ביקש מארה מעוזרו, ז'ורז' דמניי (Demenÿ, לימים צלם כרונופוטוגרפיה בזכות עצמו), לקנות עבור המעבדה "שתי תלבושות צמודות לגוף, הדומות לאלו שלובשים ליצנים, האחת לבנה והשנייה שחורה, עם כפפות ונעליים ללא עקבים". מארה הלביש את המצולמים בתלבושת הקטיפה השחורה, ועליה סימן את מפרקי הגוף ואבריו בקווים ובנקודות זוהרים. הואיל והמצולם היה לבוש בשחור, תנועתו בזמן הצילום כמעט ולא נראתה על הרקע השחור; לעומת זאת, הקווים והנקודות הזוהרים שצוירו על הבגד החזירו אור רב, יצרו תמונה על גבי לוח הצילום, והפיקו כך "מסלול שלדים" או "מסלול מקלות" גרפי, שרשם את התנועה בצורה מופשטת וטהורה. הסרת רישום העור והבשר חשפה לבסוף את החלקים הנעים של מכונת הגוף, ויצרה דימוי צילומי חסר תקדים. ניסויים אלו הולידו את הכרונופוטוגרפיה הגאומטרית של הלוח הקבוע. במשך כמה שנים ערכו מארה ודמני ניסויים רבים בהאנגר זה. גברים, אתלטים ומגוון בעלי חיים צולמו בשיטה הכרונופוטוגרפית. בשונה מעמיתו מויברידג', שהרבה לצלם נשים עירומות במסגרת עבודתו, צילם מארה אך ורק גברים, משום שראה בגבר את הארכיטיפ של הגוף האנושי.
תמונות אלו של מארה זכו לפרסום ב-"La Nature" ובעיתונים אחרים, והשפיעו רבות על סגנונות עתידיים באמנות המודרנית.