突破人类视觉极限！中国科大通过隐形眼镜方式实现人类近红外色彩图像视觉

中国科学技术大学生医部薛天、马玉乾团队与近代力学系龚兴龙、王胜团队，联合复旦大学张凡团队，以及国际科研机构合作，制备出高透明、高转化效率的上转换隐形眼镜，实现人类近红外时空色彩图像视觉能力。5月22日，研究成果在线发表于《细胞》，并被细胞出版社进行了专题报道。

　　自然界中，人类肉眼可感知的可见光，仅占电磁波谱很小的一部分。前期研究中，薛天、马玉乾团队与合作者将一种可以把近红外光转换为可见光的上转换纳米颗粒注射到动物视网膜中，首次实现了哺乳动物的裸眼近红外图像视觉能力。研究成果2019年发表于《细胞》。但眼内注射在人体应用受限。如何通过非侵入性方式实现近红外视觉，是该技术实用化的关键挑战。

　　高分子聚合材料制备的软性透明隐形眼镜提供了一个可佩戴式的解决方案。但制备近红外光上转换隐形眼镜要解决两个问题：高效上转换能力和良好光学性能。为此，研究人员对上转换纳米颗粒进行表面修饰，提高它们在高分子聚合材料中的均匀分散性，同时筛选出与上转换纳米颗粒折射率匹配的高分子聚合材料，制备出了高掺杂比例（7%-9%）并且高度透明的近红外光上转换隐形眼镜。

　　被试者佩在佩戴转换隐形眼镜 课题组供图

　　实验验证，佩戴这种隐形眼镜的小鼠可以分辨不同时间频率和不同方位的近红外光信息。更重要的是，佩戴该隐形眼镜的人类志愿者不仅可以看到一定光强范围的近红外光，还可以准确识别近红外光的时间编码信息。

　　除此之外，研究人员还开发了一种内置近红外光上转换隐形眼镜的可穿戴式框架眼镜系统，使人类志愿者能够获得与可见光视觉一样空间分辨率的近红外图像视觉，精确识别复杂近红外图形。

　　除了时间和空间信息外，视觉感知还可以在色彩维度上传递丰富的信息。研究人员用三色正交上转换纳米颗粒取代了传统的上转换纳米颗粒，制备出了三色上转换隐形眼镜，可以将三种不同光谱的近红外光转换成红、绿、蓝三基色的可见光。实验结果证明，通过佩戴三色上转换隐形眼镜，人类志愿者可以有效地识别三种波长的近红外光，感知多种近红外色彩。这表明三色上转换隐形眼镜可以有效地实现人类近红外色彩图像视觉。

　　同时需要指出的是这项技术仍然有进一步提升的空间，例如目前的上转换效率仍然需要红外光源的辅助照射，另外上转换隐形眼镜如能实现发射光的定向输出，就可能不依赖于镜框光学系统直接实现隐形眼镜介导的精细近红外图形视觉。这些都有赖于视觉生理学、材料科学和光学的跨学科合作。

　　总体而言，这项研究通过视觉生理与纳米材料技术相结合，制备高透明、高转化效率的上转换隐形眼镜，实现了无源、可穿戴的人类近红外图像视觉能力拓展，能够使人类感知近红外光的时间、空间和色彩多维度信息。该技术未来在医疗、信息处理及视觉辅助技术领域具有广泛应用前景。（记者　汪乔）