編輯丨王多魚(yú)

排版丨水成文

光在向生物傳遞大量外部信息方面起著尤為關(guān)鍵的作用，使生物能夠理解世界。然而，哺乳動(dòng)物只能感知電磁波譜中很小一部分作為可見(jiàn)光，通常在 400-700 納米的范圍內(nèi)。這意味著超過(guò)一半的太陽(yáng)輻射能量以紅外線（>700 納米）的形式存在，對(duì)哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)是不可察覺(jué)的。

人眼所見(jiàn)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，這導(dǎo)致了大量本可能獲取到的感覺(jué)信息的缺失。盡管諸如夜視鏡或紅外光-可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換器之類(lèi)的工具已被用于紅外探測(cè)，但它們需要額外的能量支持，并且通常無(wú)法區(qū)分多個(gè)光譜中的紅外光信息。此外，每個(gè)紅外光-可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換器都需要多層結(jié)構(gòu)，這使得它們不透明且難以與人眼集成。

2019 年，薛天團(tuán)隊(duì)等在Cell發(fā)表論文【1】，利用一種轉(zhuǎn)換紅外光成為可見(jiàn)光的上轉(zhuǎn)換納米材料，經(jīng)特殊修飾后注射到小鼠視網(wǎng)膜中，首次實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物的裸眼近紅外（NIR）圖像視覺(jué)能力。然而，由于手術(shù)具有侵入性，這種方式顯然不會(huì)被人們輕易接受。

因此，通過(guò)非侵入性方式相對(duì)自由的調(diào)節(jié)人眼感光波譜范圍，甚至賦予人類(lèi)近紅外視覺(jué)能力，對(duì)人類(lèi)而言仍然至關(guān)重要且令人向往。

2025 年 5 月 22 日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、微尺度國(guó)家研究中心薛天/馬玉乾團(tuán)隊(duì)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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)，以及馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院韓綱團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Cell上發(fā)表了題為：Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses 的研究論文。

該研究開(kāi)發(fā)了一種具有合適光學(xué)性能、親水性、柔性和生物相容性的可穿戴近紅外（NIR）上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡（UCL），通過(guò)佩戴該隱形眼鏡，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)近紅外時(shí)空色彩圖像視覺(jué)。這項(xiàng)研究開(kāi)啟了可穿戴聚合物材料在非侵入性近紅外視覺(jué)方面的潛力，幫助人類(lèi)感知和傳遞近紅外光的時(shí)間、空間和顏色維度。

高分子聚合材料制備的柔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(lèi)近紅外視覺(jué)提供了一個(gè)可佩戴式的解決方案。然而，制備適合人類(lèi)視覺(jué)的近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡（Upconversion Contact Lenses，UCL），勢(shì)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(wèn)題。但是，納米顆粒在高分子聚合材料中的融合會(huì)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，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)上轉(zhuǎn)換納米顆粒（Upconversion Nanoparticles, UCNP）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(shí)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(jiàn)光波譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出超過(guò) 90% 的透明度。這比國(guó)際上已報(bào)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。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了這種近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡（UCL）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 UCL 的小鼠不僅獲得感知近紅外光的能力，還可以分辨不同時(shí)間頻率和不同方位的近紅外光信息。更重要的是，佩戴 UCL 的人類(lèi)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(shí)別近紅外光的時(shí)間編碼信息。

在僅利用 UCL 進(jìn)行近紅外空間信息識(shí)別時(shí)，由于紅外圖像信息被UCLs轉(zhuǎn)換為散射的可見(jiàn)光，導(dǎo)致人類(lèi)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，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種內(nèi)置 UCL 的可穿戴式框架眼鏡系統(tǒng)（wearable eyeglass system）。通過(guò)優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì) UCL 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(jiàn)光視覺(jué)一樣空間分辨率的近紅外圖像視覺(jué)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜近紅外圖形的精確識(shí)別。

除了時(shí)間和空間信息外，視覺(jué)感知還可以在色彩維度上傳遞豐富的信息。可見(jiàn)光中的色彩信息是由波長(zhǎng)決定的。與可見(jiàn)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，研團(tuán)隊(duì)員使用三色正交 UCNP（trichromatic UCNP）取代了傳統(tǒng)的 UCNP，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(jiàn)光，同時(shí)避免了發(fā)射光譜波段的干擾問(wèn)題。通過(guò)佩戴由 trichromatic UCNP 制備成的三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡（trichromatic upconversion contact lenses，tUCL），志愿者可以有效地識(shí)別三種波長(zhǎng)的近紅外光，感知多種近紅外色彩。此外，通過(guò)色彩、時(shí)間、空間信息的結(jié)合，志愿者可以準(zhǔn)確識(shí)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 tUCL 可以有效地實(shí)現(xiàn)人類(lèi)近紅外色彩圖像視覺(jué)。

各種圖形（不同反射波譜的反射鏡片模擬）通過(guò) tUCL 內(nèi)置的可穿戴式框架眼鏡系統(tǒng)在可見(jiàn)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(guò)視覺(jué)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(wú)需電源和復(fù)雜外部設(shè)備、可穿戴的人類(lèi)近紅外圖像視覺(jué)能力拓展，能夠使人類(lèi)感知近紅外光的時(shí)間、空間和色彩多維度信息。實(shí)現(xiàn)了多紅外光譜轉(zhuǎn)換的人類(lèi)近紅外色彩視覺(jué)的概念驗(yàn)證。未來(lái)在醫(yī)療、信息處理及視覺(jué)輔助技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。此外，通過(guò)非侵入方式靈活調(diào)節(jié)人體視覺(jué)波譜范圍，也有望為色盲等視覺(jué)疾病的治療提供新的解決方案。

上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡實(shí)現(xiàn)人類(lèi)近紅外時(shí)空色彩視覺(jué)

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(jué)。這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要視覺(jué)生理學(xué)、材料科學(xué)與光學(xué)等多個(gè)學(xué)科進(jìn)一步緊密合作。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、微尺度國(guó)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(guó)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、張凡教授為論文共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)為該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(guó)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。

論文鏈接：

1. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1

2. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00454-4