突破人類視覺極限！中國科大通過隱形眼鏡方式實現人類近紅外色彩圖像視覺

中國科學技術大學生醫部薛天、馬玉乾團隊與近代力學系龔興龍、王勝團隊，聯合復旦大學張凡團隊，以及國際科研機構合作，制備出高透明、高轉化效率的上轉換隱形眼鏡，實現人類近紅外時空色彩圖像視覺能力。5月22日，研究成果在線發表于《細胞》，并被細胞出版社進行了專題報道。

自然界中，人類肉眼可感知的可見光，僅占電磁波譜很小的一部分。前期研究中，薛天、馬玉乾團隊與合作者將一種可以把近紅外光轉換為可見光的上轉換納米顆粒注射到動物視網膜中，首次實現了哺乳動物的裸眼近紅外圖像視覺能力。研究成果2019年發表于《細胞》。但眼內注射在人體應用受限。如何通過非侵入性方式實現近紅外視覺，是該技術實用化的關鍵挑戰。

高分子聚合材料制備的軟性透明隱形眼鏡提供了一個可佩戴式的解決方案。但制備近紅外光上轉換隱形眼鏡要解決兩個問題：高效上轉換能力和良好光學性能。為此，研究人員對上轉換納米顆粒進行表面修飾，提高它們在高分子聚合材料中的均勻分散性，同時篩選出與上轉換納米顆粒折射率匹配的高分子聚合材料，制備出了高摻雜比例（7%-9%）并且高度透明的近紅外光上轉換隱形眼鏡。

被試者佩在佩戴轉換隱形眼鏡 課題組供圖

實驗驗證，佩戴這種隱形眼鏡的小鼠可以分辨不同時間頻率和不同方位的近紅外光信息。更重要的是，佩戴該隱形眼鏡的人類志愿者不僅可以看到一定光強范圍的近紅外光，還可以準確識別近紅外光的時間編碼信息。

除此之外，研究人員還開發了一種內置近紅外光上轉換隱形眼鏡的可穿戴式框架眼鏡系統，使人類志愿者能夠獲得與可見光視覺一樣空間分辨率的近紅外圖像視覺，精確識別復雜近紅外圖形。

除了時間和空間信息外，視覺感知還可以在色彩維度上傳遞豐富的信息。研究人員用三色正交上轉換納米顆粒取代了傳統的上轉換納米顆粒，制備出了三色上轉換隱形眼鏡，可以將三種不同光譜的近紅外光轉換成紅、綠、藍三基色的可見光。實驗結果證明，通過佩戴三色上轉換隱形眼鏡，人類志愿者可以有效地識別三種波長的近紅外光，感知多種近紅外色彩。這表明三色上轉換隱形眼鏡可以有效地實現人類近紅外色彩圖像視覺。

同時需要指出的是這項技術仍然有進一步提升的空間，例如目前的上轉換效率仍然需要紅外光源的輔助照射，另外上轉換隱形眼鏡如能實現發射光的定向輸出，就可能不依賴于鏡框光學系統直接實現隱形眼鏡介導的精細近紅外圖形視覺。這些都有賴于視覺生理學、材料科學和光學的跨學科合作。

總體而言，這項研究通過視覺生理與納米材料技術相結合，制備高透明、高轉化效率的上轉換隱形眼鏡，實現了無源、可穿戴的人類近紅外圖像視覺能力拓展，能夠使人類感知近紅外光的時間、空間和色彩多維度信息。該技術未來在醫療、信息處理及視覺輔助技術領域具有廣泛應用前景。（記者　汪喬）