中国科大突破人类视觉极限，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命科学与医学部及合肥微尺度物质科学国家研究中心薛天/马玉乾研究组，联合工程科学学院龚兴龙/王胜团队、复旦大学化学系张凡课题组以及多家国际科研机构作为通讯作者，融合视觉神经科学、高分子材料与新型纳米技术，通过隐形眼镜的形式实现了人类对近红外时空色彩图像的感知。这项成果于5月22日在线发表在国际权威期刊cell上，并被cell press以新闻稿形式专题报道。

自然界中存在多种波长的电磁波，但人眼仅能感知其中一小部分——即可见光区域（图1）。这种感知范围受限于视网膜感光细胞中感光蛋白（Opsin）的物理化学特性。由于感光波谱的局限性，人们可能会出现色盲等视觉障碍。为了突破这一限制，人类发明了如夜视仪等设备来探测红外线。早在2019年，薛天/马玉乾团队与韩纲教授团队就在《Cell》上发表研究，利用一种能够将红外光转换为可见光的上转换纳米材料，经特殊处理后注射入动物视网膜，首次实现了哺乳动物裸眼感知近红外图像的能力。然而，因眼内注射方式难以应用于人体，如何通过非侵入式手段灵活调节人眼的感光波谱范围，甚至赋予人类近红外视觉能力，成为该技术走向临床应用的关键难题。

图1. 电磁波和可见光波谱

软性透明的高分子聚合材料制成的隐形眼镜广泛用于视力矫正，这为实现可穿戴式的人类近红外视觉提供了新思路。然而，要制备出适用于人类视觉的近红外光上转换隐形眼镜（Upconversion Contact Lenses, UCLs），必须同时解决两个核心问题：一是具备高效的上转换性能（需掺杂高浓度上转换纳米颗粒），二是保持良好的光学透明度。但纳米颗粒在高分子基材中的引入往往会导致光学性质改变，从而难以获得兼具高浓度和高透明度的复合材料。为此，研究人员对上转换纳米颗粒（UCNPs）进行了表面修饰，以提升其在高分子材料中的分散均匀性，并筛选出与UCNPs折射率匹配的高分子基材。最终成功获得了UCNPs掺杂比例高达7-9%的UCLs，在大部分可见光波段透光率超过90%，显著优于目前国际报道的0.04-2%掺杂水平的同类材料。

进一步研究表明，这种UCLs具备优良的力学性能、光学质量、亲水性和生物相容性。佩戴UCLs的小鼠不仅获得了感知近红外光的能力，还能分辨不同时间频率和方位的近红外信号。更重要的是，佩戴UCLs的人类志愿者也能够识别一定强度范围内的近红外光，并准确解码其时间编码信息。

仅依靠UCLs进行近红外图像识别时，由于红外图像经UCLs转换后呈现为散射的可见光，导致志愿者只能识别较为模糊的图像。为克服此问题，研究人员开发了一种集成UCLs的可穿戴框架眼镜系统（wearable eyeglass system），通过优化光学设计，对转换后的红外图像进行聚焦成像，使志愿者获得了与自然视觉相当的空间分辨率，从而实现对复杂红外图形的精准识别。

除了空间与时间信息外，色彩也是视觉感知的重要维度。自然界的色彩由光的波长决定，而红外光谱覆盖范围更广。为实现对多光谱红外光的感知，研究人员采用三色正交UCNPs（trichromatic UCNPs）替代传统材料，能够将三种不同波长的近红外光分别转换为红、绿、蓝三原色可见光，避免了发射光谱之间的干扰。佩戴由trichromatic UCNPs制成的三色上转换隐形眼镜（tUCLs）后，志愿者可以有效区分三种波长的近红外光，感知多种近红外色彩。结合色彩、时间与空间信息，志愿者能够准确解读由红外光编码的多维信息，表明具有抗干扰、正交响应和多光谱转换特性的tUCLs成功实现了人类对近红外色彩图像的感知（图2）。

图2. 不同反射波谱的镜片模拟图形通过tUCLs内置眼镜系统在可见光与近红外光照射下的色彩表现

总体而言，该研究将视觉生理学与先进纳米材料技术相结合，研制出高透明、高转换效率的上转换隐形眼镜，拓展了人类裸眼感知近红外图像的能力，无需外部电源或复杂设备即可实现对近红外光的时间、空间与色彩多维信息感知（图3），并验证了人类多红外光谱视觉的可能性。该技术在未来医疗诊断、信息处理及视觉辅助领域具有广阔应用前景。此外，通过非侵入手段灵活调整人眼感光范围，也为色盲等视觉疾病的治疗提供了全新路径。

研究团队指出，该技术尚处于原理验证阶段，仍有许多改进空间。例如当前的上转换效率仍需借助外部红外光源；若未来能实现发光方向的定向输出，则有望无需依赖眼镜系统直接通过隐形眼镜实现清晰的近红外图像感知。这些目标的实现，需要视觉生理学、材料科学与光学等多学科的深入协作。

图3. 上转换隐形眼镜实现人类近红外时空色彩视觉

本论文共同第一作者包括中国科大生医部和合肥微尺度物质科学国家研究中心马玉乾教授、博士生陈雨诺、工程科学学院王胜副教授、复旦大学化学系博士生陈子晗以及韩纲研究组张原玮博士。中国科大薛天教授为首要通讯作者，马玉乾教授、龚兴龙教授、王胜副教授、韩纲教授、张凡教授为共同通讯作者。中国科学技术大学为本研究的第一作者单位及最后通讯作者单位。项目得到了人类前沿科学计划及多个国际合作项目的资助，同时也获得科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省科技厅等部门的支持，以及新基石研究员项目、科学探索奖、峰基金等专项基金的资助。此外，中国科学技术大学物理学院陈宇翱教授、殷旭飞博士也为本研究提供了技术支持。

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