紅外隱形眼鏡開啓人類新“視”界

①圖為上轉換隱形眼鏡。佩戴它後，人類有望突破視覺限制，“看見”蛇、螢火蟲等動物眼中的世界。受訪單位供圖   ②圖為非洲樹蛇。③圖為螢火蟲。視覺中國供圖

當夕陽沉入地平線，世界在人類眼中漸次褪色。然而在蛇類的感知中，熱輻射勾勒出獵物的清晰輪廓；在螢火蟲的複眼裏，花朵反射着人類不可見的紫外圖案。在可見光譜之外，自然界始終上演着無聲的光影戲劇，而人類卻因視網膜的侷限，成為這場盛宴的缺席者。

如今，這一視覺侷限迎來了突破的可能。

日前，中國科學技術大學與復旦大學等國內外科研機構合作的研究成果，以《上轉換隱形眼鏡賦能人類近紅外光視覺》為題發表於《細胞》。該研究創新性地將一種含有多個熒光發射的稀土顆粒與隱形眼鏡相結合，通過可穿戴的形式使人類感知近紅外光的時間、空間和色彩等多維度信息，可為治療色盲等視覺疾病提供新的解決方案。

多數哺乳動物無法識別紅外線

光的本質是一段連續的電磁波譜，其波長差異決定了人類能否感知其存在。人類視網膜上有一類視錐細胞，能對紅、綠、藍三原色特異性響應。3種細胞被激活的比例，決定了人類所看見的顏色。一直以來，人類可看見的光波長範圍僅限於400納米（紫光）—700納米（紅光）。若能感知更加廣闊的近紅外波段（700納米—2500納米），將突破人類視覺的極限。

“自然界中，人類肉眼可感知的可見光，僅佔電磁波譜的很小一部分。由於紅外光所攜帶的能量低於可見光，這一特性使其既無法激發人眼視網膜中的感光細胞，也難以被絕大多數哺乳動物的視覺系統直接感知。”中國科學技術大學教授薛天説。

在自然界中，少數生物進化出了感知紅外線的特殊能力。響尾蛇、蝮蛇等部分蛇類擁有專門的頰窩器官，能夠探測温血動物散發的長波紅外輻射。一些昆蟲，如部分甲蟲則能感知較近紅外範圍的光線。但這本質上是一種熱感知，而非真正的“視覺成像”。然而，對於人類和小鼠等絕大多數哺乳動物而言，紅外線始終是感官世界的盲區。

特殊材料變不可見為可見

如何突破哺乳動物視覺的天然壁壘？

在前期研究中，薛天和中國科學技術大學特任教授馬玉乾團隊以及其他合作者將一種可以把近紅外光轉換為可見光的上轉換納米顆粒注射到動物視網膜中，首次實現了哺乳動物的裸眼近紅外圖像視覺能力。2019年，這項研究論文發表於《細胞》。但眼內注射在人體應用受限，如何通過非侵入性方式實現近紅外視覺，是該技術實用化的關鍵挑戰。

“由高分子聚合材料製備的軟性透明隱形眼鏡提供了一個可佩戴式的解決方案。但製備近紅外光上轉換隱形眼鏡有兩個前提：高效上轉換能力和良好光學性能。”薛天説。

為此，研究人員對上轉換納米顆粒進行表面修飾，提高它們在高分子聚合材料中的均勻分散性，同時篩選出與上轉換納米顆粒折射率匹配的高分子聚合材料，製備出了上轉換納米顆粒摻雜比例高並且高度透明的近紅外光上轉換隱形眼鏡。

研究人員介紹，稀土元素具有獨特光學性質，通過近紅外光激發，可以轉換不同顏色的光。人體可以通過稀土納米顆粒的熒光顏色，判斷外界的肉眼不可見的近紅外光波長，實現對近紅外“色彩”的識別。

研究人員將含有這種高效上轉換納米顆粒的薄膜，精密地集成到常規的軟性隱形眼鏡基質中，確保其高度透明且佩戴舒適。當佩戴此眼鏡時，外界的紅外光穿過鏡片，被納米晶體捕獲並即時轉換為可見光。這些新生的可見光子隨即進入人眼，被視網膜上的感光細胞正常接收和處理。大腦視覺皮層最終解讀這些信號，使佩戴者“看見”了原本不可見的紅外世界。

在實驗驗證時，佩戴這種隱形眼鏡的小鼠可以分辨不同時間頻率和不同方位的近紅外光信息。值得一提的是，佩戴該隱形眼鏡的人類志願者不僅可以看到一定光強範圍的近紅外光，還可以準確識別近紅外光的時間編碼信息。

除此之外，研究人員還開發了一種內置近紅外光上轉換隱形眼鏡的可穿戴式框架眼鏡系統，使人類志願者能夠獲得與可見光視覺空間分辨率一樣的近紅外圖像視覺，精確識別複雜近紅外圖形。

除了時間和空間信息外，視覺感知還可以在色彩維度上傳遞豐富的信息。研究人員用三色正交上轉換納米顆粒取代了傳統的上轉換納米顆粒，製備出三色上轉換隱形眼鏡，可以將三種不同光譜的近紅外光轉換成紅、綠、藍三基色的可見光。實驗結果顯示，通過佩戴三色上轉換隱形眼鏡，人類志願者可以有效識別三種波長的近紅外光，感知多種近紅外色彩。這表明三色上轉換隱形眼鏡可以有效地實現人類近紅外色彩圖像視覺。

“這項技術仍然有進一步提升的空間，例如，目前該隱形眼鏡上轉換效率較低，仍然需要紅外光源輔助照射才能使人類志願者識別近紅外光；另外，上轉換隱形眼鏡中的納米顆粒如能實現發射光的定向輸出，就可能不依賴於鏡框光學系統，直接實現隱形眼鏡介導的精細近紅外圖形視覺。這些都有賴於視覺生理學、材料科學和光學的跨學科合作。”薛天説。

為視覺修復開闢新方向

這項突破性技術帶來的遠非實驗室中的新奇體驗，其應用前景廣闊而深遠。比如，相較於笨重、耗電、視野受限且僅提供單色圖像的傳統紅外夜視儀，這種隱形眼鏡方案將為安保人員在完全黑暗或煙霧中行動、救援隊員搜尋熱源、工程師進行設備熱檢，甚至普通消費者在夜間活動等提供了前所未有的非侵入式“超級視覺”工具。

該技術在信息傳輸領域也展現出潛力：可利用人眼不可見但眼鏡可轉換的特定紅外光源，設計出高度隱蔽的通信或加密系統。例如，於特定位置閃爍的紅外信號可在人羣中向特定佩戴者傳遞秘密指令；產品上的紅外防偽標記只有在佩戴此眼鏡時才能顯現，大大提升防偽可靠性；博物館或機密區域可使用紅外光束劃定無形警戒線，佩戴此眼鏡時即可看見警戒線。

更重要的是，該技術還將為視覺修復與增強帶來新曙光。全球約每12名男性與200名女性中即有1人存在色覺缺陷，且多為紅綠色盲。其根源在於視網膜中負責感知紅或綠特定波長的視錐細胞缺失或功能異常。

對於色盲、色弱等色覺異常人羣，這項技術提供了極具想象力的干預方向，可通過光譜的“重新編碼”，幫助他們突破自然的視覺侷限，感知更豐富的色彩信息。

納米晶體在隱形眼鏡上的無聲閃爍，是科學智慧對自然感官界限的一次温柔重構。當紅外光譜在人類視網膜上投下第一縷可見的輝光，人們得以窺見超越百萬年進化設定的另一種可能。科學賦予我們的，不僅是工具，更是理解廣袤宇宙的新感官與新語言。（記者 吳長鋒 洪敬譜）