近日，中國科學技術大學薛天教授團隊造出一款上轉換隱形眼鏡（UCLs，upconversion contact lenses），在實驗中讓人類和小鼠獲得了近紅外時空色彩圖像視覺能力，突破了人類視覺的已有極限。

圖 | 上轉換隱形眼鏡（來源：中國科學技術大學）

這款上轉換隱形眼鏡具備柔軟、可穿戴、非侵入性等特點，并具備較高的近紅外轉換效率和生物相容性，它能擴展人類在多個近紅外光譜范圍內的視覺能力，使佩戴者能夠區分近紅外光譜的時間信息、空間信息和顏色信息。

實驗結果顯示，佩戴上轉換隱形眼鏡的受試小鼠能夠識別近紅外的時間信息和空間信息，并且可以做出行為決策。而戴上轉換隱形眼鏡的真人受試者能夠區分近紅外信息，包括區分時間編碼和空間圖像。

受試小鼠和真人受試者即使在閉眼的情況下也能以有限的分辨率檢測到紅外光，這意味著戴上這款隱形眼鏡人類在黑暗中也能看得見。

與此同時，研究團隊還開發出一款三色上轉換隱形眼鏡，它使人類能夠區分多種近紅外光譜，這些光譜可以作為三原色來發揮相關作用，從而實現人類的近紅外時空視覺。

未來，假如需要進行秘密夜間活動，無需再使用笨重的夜視鏡。由于近紅外光具有更強的穿透能力，因此這款上轉換隱形眼鏡不僅適用于夜視條件，還能在多霧或多塵的條件下使用，以及能被集成到智能設備中用于緊急救援。與此同時，它還能讓色盲人士感知到更多波長。

作為一項概念性驗證，本次研究證明通過可穿戴納米生物材料能讓人類實現超視覺能力，并為人類近紅外時空彩色視覺的廣泛應用鋪平了道路。

它揭示了可穿戴聚合物材料在非侵入性近紅外視覺領域的潛力，有助于人類感知和傳遞近紅外光的時間維度、空間維度和顏色維度，使人類能在無需復雜外部設備的情況下，實現非侵入式和多維近紅外圖像視覺。

人類和小鼠等哺乳動物的“天然不足”

眾所周知，光——能為生物體傳遞大量的外部信息，從而幫助其理解外部世界。

然而，哺乳動物只能感知到電磁波譜中很小一部分的可見光（通常在400 納米至 700 納米范圍內）。

蛇、蚊子、牛蛙等生物能夠看到紅外線（700 納米至 1 毫米），蜜蜂、鳥類等生物能夠看到紫外線（10 納米至 400 納米），而金魚則能同時感知到這兩種紅外線和紫外線。

但是，人類必須在外部技術的幫助之下才能看見紅外線和紫外線。這意味著，超過一半的、以波長大于700 納米的紅外光形式存在的太陽輻射能，都無法被哺乳動物感知。

圖 | 電磁波和可見光波譜（來源：中國科學技術大學）

光譜中的感知局限性，是由光子探測視蛋白的物理熱力學特性決定的，這會導致原本可能被獲取的感官信息被大量丟失。

盡管夜視鏡或紅外-可見光轉換器等工具已被用于紅外探測，但它們需要額外的能源支持，并且通常無法區分多個光譜中的紅外信息。此外，每個紅外-可見光轉換器都需要多層結構，這使得它們由于不透明而無法與人眼集成。

在此前的成果之中，研究團隊通過向小鼠眼睛視網膜下注射光感受器，以及結合光感受器親和型上轉換納米顆粒（pbUCNPs，photoreceptor-binding upconversion nanoparticles），使小鼠具備了近紅外視覺能力。然而，由于這一手術存在侵入性，因此人類不太容易接受眼部注射光感受器的做法。

如前所述，由于光子探測視蛋白的物理熱力學特性，導致人類無法感知紅外光。然而，用肉眼看到多光譜紅外光是非常令人期待的能力。因此，通過開發裸眼非侵入式近紅外視覺能力來檢測多光譜近紅外光，是一個十分重要科研目標。

以正常視覺空間分辨率實現近紅外視覺

研究團隊在論文中寫道，基于聚合物材料的、柔軟且透明的隱形眼鏡已被用于人眼屈光矯正，這也為實現人類近紅外視覺提供了一種可穿戴的解決方案。然而，將納米顆粒融入聚合物材料會改變其光學特性，這對制備高濃度、光學透明的納米復合材料帶來了挑戰。

為了解決這一問題，研究團隊針對上轉換納米顆粒（UCNPs，upconversion nanoparticles）進行改性，并根據折射率匹配度針對聚合物材料加以篩選。

基于此，研究團隊開發出了這款上轉換隱形眼鏡，它在大多數波長之下的透明度超過90% 的近紅外光，上轉換納米顆粒的質量比為 7%。

此前，透明納米復合材料中上轉換納米顆粒的質量比為0.04%-2%，相比之下在本次研究之中這一比例得到顯著增加，這表明他們成功平衡了上轉換納米顆粒在上轉換隱形眼鏡中的融合及其自身光學特性。

為了區分近紅外光的多個光譜，研究團隊使用三色正交上轉換納米顆粒（trichromatic orthogonal UCNPs）取代傳統的上轉換納米顆粒，這種新型納米顆粒能將三個不同光譜波段的近紅外光轉化為三種原色的可見光。

通過這種三原色上轉換隱形眼鏡（tUCLs，trichromatic upconversion contact lenses），他們成功實現了人類對 800-1600 納米波段近紅外光的色覺感知，讓人眼能在三個不同的波長區域檢測近紅外光，從而能夠編碼更豐富的近紅外光信息。

這一范圍內的近紅外光能夠穿透富含水分的生物組織比如眼瞼和角膜，因此可以增強近紅外視覺和生物成像效果。

（來源：中國科學技術大學）

研究人員在論文中表示，盡管此前學界已經報道過多光譜上轉換納米顆粒，甚至報道了將它們與聚合物結合的成果，但是這些工作尚未真正實現人類近紅外色覺。并且，這些技術的實際落地受到納米顆粒摻雜濃度低以及需要高功率近紅外光等限制。

相比之下，本次研究團隊通過調控納米顆粒與水凝膠的折射率，成功攻克了這些技術難題，借此推動了三色正交粒子的開發，進而推動了生物視覺感知和視覺識別的應用。

此外，通過添加敏化劑和活化劑的手段，以及使用改變核殼納米結構和宿主材料的方法，還可以調整這些納米材料的激發光譜和發射光譜。

這樣一來，就能通過近紅外色覺檢測到更寬范圍的近紅外波長，從而有望讓哺乳動物感知到更加全面的近紅外信息。

如前所述，本次研究分別進行了小鼠實驗和真人實驗。那么，實驗具體包含了哪些細節？

據了解：

在小鼠實驗中，他們讓小鼠在暗箱和紅外光照明的箱子之間做選擇。結果發現，佩戴上轉換隱形眼鏡的小鼠選擇了暗盒，未佩戴的小鼠則沒有表現出任何偏好。這說明佩戴上轉換隱形眼鏡的小鼠的瞳孔在紅外光照射下會收縮，同時腦部成像顯示小鼠視覺處理中樞也對光信號產生了響應。

在真人實驗中，研究團隊通過在人體測試中要求受試者完成兩項任務來驗證上轉換隱形眼鏡的效果：一是識別紅外光中的莫爾斯電碼式閃爍信號，二是判斷紅外光源的入射方向。結果令人十分震撼：與可見光相比，無論是受試小鼠還是真人受試者，當其閉上眼睛時都變得更加能夠區分紅外光。研究團隊認為，這是因為紅外光比可見光更加能夠有效地穿透眼瞼。

隨后，他們還對納米顆粒進行調整，使其能夠針對不同的紅外波長進行顏色編碼，從而讓佩戴者能在紅外光下感知到更多細節，以便幫助色盲人士感知到更多波長。

盡管佩戴上轉換隱形眼鏡的受試者能夠識別閃爍近紅外光的時間信息，以及識別來自特定視覺象限的近紅外光的方向。但是，從光學原理的角度來看，上轉換隱形眼鏡無法實現精細的圖像感知，這是因為上轉換散射的可見光改變了近紅外光在進入人眼之前原本攜帶的空間信息。

為了克服這一問題，研究團隊設計了一款可穿戴眼鏡系統，使受試者能以大約65 c/d 的空間分辨率閾值區分近紅外移動光柵。這與人類視覺的典型空間分辨率閾值（約 60 c/d）相當，通過這種方法人類能以正常的視覺空間分辨率實現近紅外視覺。

（來源：中國科學技術大學）

將打造靈敏度更高、空間分辨率更好的上轉換隱形眼鏡

不過，這款上轉換隱形眼鏡目前只能檢測到發光二極管投射的紅外線。未來，假如能夠提高納米顆粒的靈敏度，就能捕捉到更低水平的紅外線，屆時預計這一問題將會被解決。

總的來說，這項研究為借助非侵入式可穿戴設備來為為人類提供超級視覺開辟了可能性，進而有望將閃爍的紅外光用于在安全、救援、加密或防偽領域來傳輸信息。

后續，通過與材料科學家和光學專家合作，研究團隊希望造出靈敏度更高、空間分辨率更好的上轉換隱形眼鏡。

參考資料：

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

排版：溪樹