中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、微尺度國家研究中心薛天/馬玉乾團(tuán)隊(duì)，工程科學(xué)學(xué)院龔興龍/王勝團(tuán)隊(duì)，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系張凡團(tuán)隊(duì)，以及國際科研機(jī)構(gòu)共同作為通訊作者，結(jié)合視覺神經(jīng)科學(xué)、高分子材料與創(chuàng)新納米融合技術(shù)，通過隱形眼鏡方式實(shí)現(xiàn)人類近紅外時空色彩圖像視覺。該研究成果于2025年5月22日以Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses為題在線發(fā)表于Cell上。

自然界中存在包括可見光在內(nèi)廣泛波長范圍的電磁波，然而能夠被我們的眼睛所感知的可見光只占電磁波譜很小的一部分（圖1），人眼所見光譜范圍的局限是由視網(wǎng)膜感光細(xì)胞中的感光蛋白（Opsin）固有的物理化學(xué)特性所決定。感光波譜缺陷會帶來色盲等視覺疾病，同時為看到紅外線人類研發(fā)出夜視儀等裝備。薛天/馬玉乾研究團(tuán)隊(duì)和韓綱教授研究組2019年在

Cell

圖1.電磁波和可見光波譜

高分子聚合材料制備的軟性透明隱形眼鏡被廣泛應(yīng)用于視力矯正，這為我們實(shí)現(xiàn)人類近紅外視覺提供了一個可佩戴式的解決方案。然而，制備適合人類視覺的近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡（Upconversion Contact Lenses，UCLs），勢必要解決高效上轉(zhuǎn)換能力（高濃度上轉(zhuǎn)換納米顆粒摻雜）和良好光學(xué)性能（高透明度）的問題。但是，納米顆粒在高分子聚合材料中的融合會改變其光學(xué)性質(zhì)，使得難以獲得高濃度、高透明度的納米復(fù)合物材料。為此，研究人員對上轉(zhuǎn)換納米顆粒（Upconversion Nanoparticles, UCNPs）進(jìn)行表面修飾提高其在高分子聚合材料中均勻分散性，同時篩選出與UCNPs折射率匹配的高分子聚合材料。獲得了高摻雜比例（7-9%）的近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，在大多數(shù)可見光波譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出超過90%的透明度。這比國際上已報道的0.04-2% UCNPs摻雜的其他高分子聚合材料的納米復(fù)合物材料具有顯著性能提升。

研究人員進(jìn)一步驗(yàn)證了這種近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡（Upconversion Contact Lenses, UCLs）具有較好的力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性能、親水性和較高的生物相容性。佩戴UCLs的小鼠不僅獲得感知近紅外光的能力，還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UCLs的人類志愿者不僅可以看到一定光強(qiáng)范圍的近紅外光，還可以準(zhǔn)確識別近紅外光的時間編碼信息。

在僅利用UCLs進(jìn)行近紅外空間信息識別時，由于紅外圖像信息被UCLs轉(zhuǎn)換為散射的可見光，導(dǎo)致人類志愿者僅能獲得粗糙的近紅外圖像辨別能力。為了克服這一困難，研究人員開發(fā)了一種內(nèi)置UCLs的可穿戴式框架眼鏡系統(tǒng)（wearable eyeglass system）。通過優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)，對UCLs轉(zhuǎn)換后的近紅外空間信息進(jìn)行成像處理，使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，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜近紅外圖形的精確識別。

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。可見光中的色彩信息是由波長決定的。與可見光相比，紅外光的波譜范圍更廣。為了感知在自然環(huán)境中廣泛存在的多光譜紅外光，研究人員使用三色正交UCNPs（trichromatic UCNPs）取代了傳統(tǒng)的UCNPs，可以將三種不同光譜的近紅外光轉(zhuǎn)換成紅、綠、藍(lán)三基色的可見光，同時避免了發(fā)射光譜波段的干擾問題。通過佩戴由trichromatic UCNPs制備成的三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡（trichromatic upconversion contact lenses，tUCLs），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。此外，通過色彩、時間、空間信息的結(jié)合，志愿者可以準(zhǔn)確識別出更豐富的近紅外光編碼的多維度信息。這表明具有抗干擾、正交和多光譜轉(zhuǎn)換特性的tUCLs可以有效地實(shí)現(xiàn)人類近紅外色彩圖像視覺（圖2）。

圖2.各種圖形（不同反射波譜的反射鏡片模擬）通過tUCLs內(nèi)置的可穿戴式框架眼鏡系統(tǒng)在可見光和近紅外光照射下的色彩顯示

總體而言，這項(xiàng)研究通過視覺生理與納米材料技術(shù)相結(jié)合，制備高透明、高轉(zhuǎn)化效率的上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，實(shí)現(xiàn)了無需電源和復(fù)雜外部設(shè)備、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（圖3）。實(shí)現(xiàn)了多紅外光譜轉(zhuǎn)換的人類近紅外色彩視覺的概念驗(yàn)證。未來在醫(yī)療、信息處理及視覺輔助技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。此外，通過非侵入方式靈活調(diào)節(jié)人體視覺波譜范圍，也有望為色盲等視覺疾病的治療提供新的解決方案。

研究團(tuán)隊(duì)指出，這項(xiàng)技術(shù)是原理驗(yàn)證性工作，仍有進(jìn)一步優(yōu)化空間，例如目前的上轉(zhuǎn)換效率還需要紅外光源的輔助照射。另外上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡如能實(shí)現(xiàn)發(fā)射光的定向輸出，就可能不依賴于鏡框光學(xué)系統(tǒng)直接實(shí)現(xiàn)隱形眼鏡介導(dǎo)的精細(xì)近紅外圖形視覺。這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要視覺生理學(xué)、材料科學(xué)與光學(xué)等多個學(xué)科進(jìn)一步緊密合作。

圖3. 上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡實(shí)現(xiàn)人類近紅外時空色彩視覺

中國科大生醫(yī)部和微尺度國家研究中心的馬玉乾教授、博士生陳雨諾、工程科學(xué)學(xué)院王勝副教授、復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系博士生陳子晗以及韓綱研究組張?jiān)|博士為該論文的共同第一作者。中國科大薛天教授為首要通訊作者（Lead Contact），馬玉乾教授、龔興龍教授、王勝副教授、韓綱教授、張凡教授為論文的共同通訊作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)為本項(xiàng)工作的第一作者和最后通訊作者單位。此外，該工作還得到中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院陳宇翱教授、殷旭飛博士的技術(shù)支持。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019

制版人： 十一

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