来源：DeepTech深科技
近日，中国科学技术大学薛天教授团队造出一款上转换隐形眼镜（UCLs，upconversion contact lenses），在实验中让人类和小鼠获得了近红外时空色彩图像视觉能力，突破了人类视觉的已有极限。
图 |这款上转换隐形眼镜具备柔软、可穿戴、非侵入性等特点，并具备较高的近红外转换效率和生物相容性，它能扩展人类在多个近红外光谱范围内的视觉能力，使佩戴者能够区分近红外光谱的时间信息、空间信息和颜色信息。
实验结果显示，佩戴上转换隐形眼镜的受试小鼠能够识别近红外的时间信息和空间信息，并且可以做出行为决策。而戴上转换隐形眼镜的真人受试者能够区分近红外信息，包括区分时间编码和空间图像。
受试小鼠和真人受试者即使在闭眼的情况下也能以有限的分辨率检测到红外光，这意味着戴上这款隐形眼镜人类在黑暗中也能看得见。
与此同时，研究团队还开发出一款三色上转换隐形眼镜，它使人类能够区分多种近红外光谱，这些光谱可以作为三原色来发挥相关作用，从而实现人类的近红外时空视觉。
未来，假如需要进行秘密夜间活动，无需再使用笨重的夜视镜。由于近红外光具有更强的穿透能力，因此这款上转换隐形眼镜不仅适用于夜视条件，还能在多雾或多尘的条件下使用，以及能被集成到智能设备中用于紧急救援。与此同时，它还能让色盲人士感知到更多波长。
作为一项概念性验证，本次研究证明通过可穿戴纳米生物材料能让人类实现超视觉能力，并为人类近红外时空彩色视觉的广泛应用铺平了道路。
它揭示了可穿戴聚合物材料在非侵入性近红外视觉领域的潜力，有助于人类感知和传递近红外光的时间维度、空间维度和颜色维度，使人类能在无需复杂外部设备的情况下，实现非侵入式和多维近红外图像视觉。
人类和小鼠等哺乳动物的“天然不足”
众所周知，光——能为生物体传递大量的外部信息，从而帮助其理解外部世界。
然而，哺乳动物只能感知到电磁波谱中很小一部分的可见光（通常在400 纳米至 700 纳米范围内）。
蛇、蚊子、牛蛙等生物能够看到红外线（700 纳米至 1 毫米），蜜蜂、鸟类等生物能够看到紫外线（10 纳米至 400 纳米），而金鱼则能同时感知到这两种红外线和紫外线。
但是，人类必须在外部技术的帮助之下才能看见红外线和紫外线。这意味着，超过一半的、以波长大于700 纳米的红外光形式存在的太阳辐射能，都无法被哺乳动物感知。
| 电磁波和可见光波谱（来源：中国科学技术大学）
光谱中的感知局限性，是由光子探测视蛋白的物理热力学特性决定的，这会导致原本可能被获取的感官信息被大量丢失。
尽管夜视镜或红外-可见光转换器等工具已被用于红外探测，但它们需要额外的能源支持，并且通常无法区分多个光谱中的红外信息。此外，每个红外-可见光转换器都需要多层结构，这使得它们由于不透明而无法与人眼集成。
在此前的成果之中，研究团队通过向小鼠眼睛视网膜下注射光感受器，以及结合光感受器亲和型上转换纳米颗粒（pbUCNPs，photoreceptor-binding upconversion nanoparticles），使小鼠具备了近红外视觉能力。然而，由于这一手术存在侵入性，因此人类不太容易接受眼部注射光感受器的做法。
如前所述，由于光子探测视蛋白的物理热力学特性，导致人类无法感知红外光。然而，用肉眼看到多光谱红外光是非常令人期待的能力。因此，通过开发裸眼非侵入式近红外视觉能力来检测多光谱近红外光，是一个十分重要科研目标。
以正常视觉空间分辨率实现近红外视觉
研究团队在论文中写道，基于聚合物材料的、柔软且透明的隐形眼镜已被用于人眼屈光矫正，这也为实现人类近红外视觉提供了一种可穿戴的解决方案。然而，将纳米颗粒融入聚合物材料会改变其光学特性，这对制备高浓度、光学透明的纳米复合材料带来了挑战。
为了解决这一问题，研究团队针对上转换纳米颗粒（UCNPs，upconversion nanoparticles）进行改性，并根据折射率匹配度针对聚合物材料加以筛选。
基于此，研究团队开发出了这款上转换隐形眼镜，它在大多数波长之下的透明度超过90% 的近红外光，上转换纳米颗粒的质量比为 7%。
此前，透明纳米复合材料中上转换纳米颗粒的质量比为0.04%-2%，相比之下在本次研究之中这一比例得到显著增加，这表明他们成功平衡了上转换纳米颗粒在上转换隐形眼镜中的融合及其自身光学特性。
为了区分近红外光的多个光谱，研究团队使用三色正交上转换纳米颗粒（trichromatic orthogonal UCNPs）取代传统的上转换纳米颗粒，这种新型纳米颗粒能将三个不同光谱波段的近红外光转化为三种原色的可见光。
通过这种三原色上转换隐形眼镜（tUCLs，trichromatic upconversion contact lenses），他们成功实现了人类对 800-1600 纳米波段近红外光的色觉感知，让人眼能在三个不同的波长区域检测近红外光，从而能够编码更丰富的近红外光信息。
这一范围内的近红外光能够穿透富含水分的生物组织比如眼睑和角膜，因此可以增强近红外视觉和生物成像效果。
研究人员在论文中表示，尽管此前学界已经报道过多光谱上转换纳米颗粒，甚至报道了将它们与聚合物结合的成果，但是这些工作尚未真正实现人类近红外色觉。并且，这些技术的实际落地受到纳米颗粒掺杂浓度低以及需要高功率近红外光等限制。
相比之下，本次研究团队通过调控纳米颗粒与水凝胶的折射率，成功攻克了这些技术难题，借此推动了三色正交粒子的开发，进而推动了生物视觉感知和视觉识别的应用。
此外，通过添加敏化剂和活化剂的手段，以及使用改变核壳纳米结构和宿主材料的方法，还可以调整这些纳米材料的激发光谱和发射光谱。
这样一来，就能通过近红外色觉检测到更宽范围的近红外波长，从而有望让哺乳动物感知到更加全面的近红外信息。
如前所述，本次研究分别进行了小鼠实验和真人实验。那么，实验具体包含了哪些细节？
据了解：
在小鼠实验中，他们让小鼠在暗箱和红外光照明的箱子之间做选择。结果发现，佩戴上转换隐形眼镜的小鼠选择了暗盒，未佩戴的小鼠则没有表现出任何偏好。这说明佩戴上转换隐形眼镜的小鼠的瞳孔在红外光照射下会收缩，同时脑部成像显示小鼠视觉处理中枢也对光信号产生了响应。
在真人实验中，研究团队通过在人体测试中要求受试者完成两项任务来验证上转换隐形眼镜的效果：一是识别红外光中的莫尔斯电码式闪烁信号，二是判断红外光源的入射方向。结果令人十分震撼：与可见光相比，无论是受试小鼠还是真人受试者，当其闭上眼睛时都变得更加能够区分红外光。研究团队认为，这是因为红外光比可见光更加能够有效地穿透眼睑。
随后，他们还对纳米颗粒进行调整，使其能够针对不同的红外波长进行颜色编码，从而让佩戴者能在红外光下感知到更多细节，以便帮助色盲人士感知到更多波长。
尽管佩戴上转换隐形眼镜的受试者能够识别闪烁近红外光的时间信息，以及识别来自特定视觉象限的近红外光的方向。但是，从光学原理的角度来看，上转换隐形眼镜无法实现精细的图像感知，这是因为上转换散射的可见光改变了近红外光在进入人眼之前原本携带的空间信息。
为了克服这一问题，研究团队设计了一款可穿戴眼镜系统，使受试者能以大约65 c/d 的空间分辨率阈值区分近红外移动光栅。这与人类视觉的典型空间分辨率阈值（约 60 c/d）相当，通过这种方法人类能以正常的视觉空间分辨率实现近红外视觉。
将打造灵敏度更高、空间分辨率更好的上转换隐形眼镜
不过，这款上转换隐形眼镜目前只能检测到发光二极管投射的红外线。未来，假如能够提高纳米颗粒的灵敏度，就能捕捉到更低水平的红外线，届时预计这一问题将会被解决。
总的来说，这项研究为借助非侵入式可穿戴设备来为为人类提供超级视觉开辟了可能性，进而有望将闪烁的红外光用于在安全、救援、加密或防伪领域来传输信息。
后续，通过与材料科学家和光学专家合作，研究团队希望造出灵敏度更高、空间分辨率更好的上转换隐形眼镜。
参考资料：
cell/fulltext/S0092-8674(25)00454-4
排版：溪树
0 条