Cell：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|中国科大|光学|光谱|波谱|红外光|视觉极限|隐形眼镜

来源：丁香学术

中国科学技术大学生命科学与医学部、微尺度国家研究中心薛天/马玉乾团队，工程科学学院龚兴龙/王胜团队，复旦大学化学系张凡团队，以及国际科研机构共同作为通讯作者，结合视觉神经科学、高分子材料与创新纳米融合技术，通过隐形眼镜方式实现人类近红外时空色彩图像视觉。该研究成果于 2025 年 5 月 22 日（美东时间）在线发表于国际顶级期刊Cell上，并被 Cell Press 通过 press release 进行专题报道。

自然界中存在包括可见光在内广泛波长范围的电磁波，然而能够被我们的眼睛所感知的可见光只占电磁波谱很小的一部分（图 1），人眼所见光谱范围的局限是由视网膜感光细胞中的感光蛋白（Opsin）固有的物理化学特性所决定。感光波谱缺陷会带来色盲等视觉疾病，同时为看到红外线人类研发出夜视仪等装备。薛天/马玉乾研究团队和韩纲教授研究组 2019 年在Cell上发表研究论文，利用一种转换红外光成为可见光的上转换纳米材料，经特殊修饰后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。然而，由于眼内注射的方式在人体上应用受限，如何通过非侵入性方式相对自由的调节人眼感光波谱范围，甚至赋予人类近红外视觉能力，就成为这项技术在人体上实际应用的挑战。

图 1. 电磁波和可见光波谱

高分子聚合材料制备的软性透明隐形眼镜被广泛应用于视力矫正，这为我们实现人类近红外视觉提供了一个可佩戴式的解决方案。然而，制备适合人类视觉的近红外光上转换隐形眼镜（Upconversion Contact Lenses，UCLs），势必要解决高效上转换能力（高浓度上转换纳米颗粒掺杂）和良好光学性能（高透明度）的问题。但是，纳米颗粒在高分子聚合材料中的融合会改变其光学性质，使得难以获得高浓度、高透明度的纳米复合物材料。为此，研究人员对上转换纳米颗粒（Upconversion Nanoparticles, UCNPs）进行表面修饰提高其在高分子聚合材料中均匀分散性，同时筛选出与 UCNPs 折射率匹配的高分子聚合材料。获得了高掺杂比例（7-9%）的近红外光上转换隐形眼镜，在大多数可见光波谱范围内表现出超过 90% 的透明度。这比国际上已报道的 0.04-2% UCNPs 掺杂的其他高分子聚合材料的纳米复合物材料具有显著性能提升。

研究人员进一步验证了这种近红外光上转换隐形眼镜（Upconversion Contact Lenses, UCLs）具有较好的力学性质、光学性能、亲水性和较高的生物相容性。佩戴 UCLs 的小鼠不仅获得感知近红外光的能力，还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 UCLs 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。

在仅利用 UCLs 进行近红外空间信息识别时，由于红外图像信息被 UCLs 转换为散射的可见光，导致人类志愿者仅能获得粗糙的近红外图像辨别能力。为了克服这一困难，研究人员开发了一种内置 UCLs 的可穿戴式框架眼镜系统（wearable eyeglass system）。通过优化光学设计，对 UCLs 转换后的近红外空间信息进行成像处理，使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，进而实现对复杂近红外图形的精确识别。

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。可见光中的色彩信息是由波长决定的。与可见光相比，红外光的波谱范围更广。为了感知在自然环境中广泛存在的多光谱红外光，研究人员使用三色正交 UCNPs（trichromatic UCNPs）取代了传统的 UCNPs，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，同时避免了发射光谱波段的干扰问题。通过佩戴由 trichromatic UCNPs 制备成的三色上转换隐形眼镜（trichromatic upconversion contact lenses，tUCLs），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。此外，通过色彩、时间、空间信息的结合，志愿者可以准确识别出更丰富的近红外光编码的多维度信息。这表明具有抗干扰、正交和多光谱转换特性的 tUCLs 可以有效地实现人类近红外色彩图像视觉（图 2）。

图 2. 各种图形（不同反射波谱的反射镜片模拟）通过 tUCLs 内置的可穿戴式框架眼镜系统在可见光和近红外光照射下的色彩显示

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，实现了无需电源和复杂外部设备、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（图 3）。实现了多红外光谱转换的人类近红外色彩视觉的概念验证。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。此外，通过非侵入方式灵活调节人体视觉波谱范围，也有望为色盲等视觉疾病的治疗提供新的解决方案。

研究团队指出，这项技术是原理验证性工作，仍有进一步优化空间，例如目前的上转换效率还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。这些目标的实现，需要视觉生理学、材料科学与光学等多个学科进一步紧密合作。

图 3. 上转换隐形眼镜实现人类近红外时空色彩视觉

中国科大生医部和微尺度国家研究中心的马玉乾教授、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为该论文的共同第一作者。中国科大薛天教授为首要通讯作者（Lead Contact），马玉乾教授、龚兴龙教授、王胜副教授、韩纲教授、张凡教授为论文的共同通讯作者。中国科学技术大学为本项工作的第一作者和最后通讯作者单位。该研得到人类前沿科学项目及多个国际科研项目和基金的支持。同时也得到科技部、基金委、中科院、安徽省科技厅等部门的项目基金支持，以及新基石研究员项目、科学探索奖、峰基金等基金的资助。此外，该工作还得到中国科学技术大学物理学院陈宇翱教授、殷旭飞博士的技术支持。