?、賵D為上轉換隱形眼鏡。佩戴它后，人類(lèi)有望突破視覺(jué)限制，“看見(jiàn)”蛇、螢火蟲(chóng)等動(dòng)物眼中的世界。受訪(fǎng)單位供圖

　?、趫D為非洲樹(shù)蛇。

　?、蹐D為螢火蟲(chóng)。視覺(jué)中國供圖

　　  當夕陽(yáng)沉入地平線(xiàn)，世界在人類(lèi)眼中漸次褪色。然而在蛇類(lèi)的感知中，熱輻射勾勒出獵物的清晰輪廓;在螢火蟲(chóng)的復眼里，花朵反射著(zhù)人類(lèi)不可見(jiàn)的紫外圖案。在可見(jiàn)光譜之外，自然界始終上演著(zhù)無(wú)聲的光影戲劇，而人類(lèi)卻因視網(wǎng)膜的局限，成為這場(chǎng)盛宴的缺席者。

　　  如今，這一視覺(jué)局限迎來(lái)了突破的可能。

　　  日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與復旦大學(xué)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(lèi)近紅外光視覺(jué)》為題發(fā)表于《細胞》。該研究創(chuàng )新性地將一種含有多個(gè)熒光發(fā)射的稀土顆粒與隱形眼鏡相結合，通過(guò)可穿戴的形式使人類(lèi)感知近紅外光的時(shí)間、空間和色彩等多維度信息，可為治療色盲等視覺(jué)疾病提供新的解決方案。

　　  多數哺乳動(dòng)物無(wú)法識別紅外線(xiàn)

　　  光的本質(zhì)是一段連續的電磁波譜，其波長(cháng)差異決定了人類(lèi)能否感知其存在。人類(lèi)視網(wǎng)膜上有一類(lèi)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(lèi)所看見(jiàn)的顏色。一直以來(lái)，人類(lèi)可看見(jiàn)的光波長(cháng)范圍僅限于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(lèi)視覺(jué)的極限。

　　  “自然界中，人類(lèi)肉眼可感知的可見(jiàn)光，僅占電磁波譜的很小一部分。由于紅外光所攜帶的能量低于可見(jiàn)光，這一特性使其既無(wú)法激發(fā)人眼視網(wǎng)膜中的感光細胞，也難以被絕大多數哺乳動(dòng)物的視覺(jué)系統直接感知。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授薛天說(shuō)。

　　  在自然界中，少數生物進(jìn)化出了感知紅外線(xiàn)的特殊能力。響尾蛇、蝮蛇等部分蛇類(lèi)擁有專(zhuān)門(mén)的頰窩器官，能夠探測溫血動(dòng)物散發(fā)的長(cháng)波紅外輻射。一些昆蟲(chóng)，如部分甲蟲(chóng)則能感知較近紅外范圍的光線(xiàn)。但這本質(zhì)上是一種熱感知，而非真正的“視覺(jué)成像”。然而，對于人類(lèi)和小鼠等絕大多數哺乳動(dòng)物而言，紅外線(xiàn)始終是感官世界的盲區。

　　  特殊材料變不可見(jiàn)為可見(jiàn)

　　  如何突破哺乳動(dòng)物視覺(jué)的天然壁壘?

　　  在前期研究中，薛天和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(jiàn)光的上轉換納米顆粒注射到動(dòng)物視網(wǎng)膜中，首次實(shí)現了哺乳動(dòng)物的裸眼近紅外圖像視覺(jué)能力。2019年，這項研究論文發(fā)表于《細胞》。但眼內注射在人體應用受限，如何通過(guò)非侵入性方式實(shí)現近紅外視覺(jué)，是該技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵挑戰。

　　  “由高分子聚合材料制備的軟性透明隱形眼鏡提供了一個(gè)可佩戴式的解決方案。但制備近紅外光上轉換隱形眼鏡有兩個(gè)前提：高效上轉換能力和良好光學(xué)性能。”薛天說(shuō)。

　　  為此，研究人員對上轉換納米顆粒進(jìn)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(shí)篩選出與上轉換納米顆粒折射率匹配的高分子聚合材料，制備出了上轉換納米顆粒摻雜比例高并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(xué)性質(zhì)，通過(guò)近紅外光激發(fā)，可以轉換不同顏色的光。人體可以通過(guò)稀土納米顆粒的熒光顏色，判斷外界的肉眼不可見(jiàn)的近紅外光波長(cháng)，實(shí)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(zhì)中，確保其高度透明且佩戴舒適。當佩戴此眼鏡時(shí)，外界的紅外光穿過(guò)鏡片，被納米晶體捕獲并實(shí)時(shí)轉換為可見(jiàn)光。這些新生的可見(jiàn)光子隨即進(jìn)入人眼，被視網(wǎng)膜上的感光細胞正常接收和處理。大腦視覺(jué)皮層最終解讀這些信號，使佩戴者“看見(jiàn)”了原本不可見(jiàn)的紅外世界。

　　  在實(shí)驗驗證時(shí)，佩戴這種隱形眼鏡的小鼠可以分辨不同時(shí)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(lèi)志愿者不僅可以看到一定光強范圍的近紅外光，還可以準確識別近紅外光的時(shí)間編碼信息。

　　  除此之外，研究人員還開(kāi)發(fā)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(lèi)志愿者能夠獲得與可見(jiàn)光視覺(jué)空間分辨率一樣的近紅外圖像視覺(jué)，精確識別復雜近紅外圖形。

　　  除了時(shí)間和空間信息外，視覺(jué)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，制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(jiàn)光。實(shí)驗結果顯示，通過(guò)佩戴三色上轉換隱形眼鏡，人類(lèi)志愿者可以有效識別三種波長(cháng)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(shí)現人類(lèi)近紅外色彩圖像視覺(jué)。

　　  “這項技術(shù)仍然有進(jìn)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(lèi)志愿者識別近紅外光;另外，上轉換隱形眼鏡中的納米顆粒如能實(shí)現發(fā)射光的定向輸出，就可能不依賴(lài)于鏡框光學(xué)系統，直接實(shí)現隱形眼鏡介導的精細近紅外圖形視覺(jué)。這些都有賴(lài)于視覺(jué)生理學(xué)、材料科學(xué)和光學(xué)的跨學(xué)科合作。”薛天說(shuō)。

　　  為視覺(jué)修復開(kāi)辟新方向

　　  這項突破性技術(shù)帶來(lái)的遠非實(shí)驗室中的新奇體驗，其應用前景廣闊而深遠。比如，相較于笨重、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(dòng)、救援隊員搜尋熱源、工程師進(jìn)行設備熱檢，甚至普通消費者在夜間活動(dòng)等提供了前所未有的非侵入式“超級視覺(jué)”工具。

　　  該技術(shù)在信息傳輸領(lǐng)域也展現出潛力：可利用人眼不可見(jiàn)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，于特定位置閃爍的紅外信號可在人群中向特定佩戴者傳遞秘密指令;產(chǎn)品上的紅外防偽標記只有在佩戴此眼鏡時(shí)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(wú)形警戒線(xiàn)，佩戴此眼鏡時(shí)即可看見(jiàn)警戒線(xiàn)。

　　  更重要的是，該技術(shù)還將為視覺(jué)修復與增強帶來(lái)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(jué)缺陷，且多為紅綠色盲。其根源在于視網(wǎng)膜中負責感知紅或綠特定波長(cháng)的視錐細胞缺失或功能異常。

　　  對于色盲、色弱等色覺(jué)異常人群，這項技術(shù)提供了極具想象力的干預方向，可通過(guò)光譜的“重新編碼”，幫助他們突破自然的視覺(jué)局限，感知更豐富的色彩信息。

　　  納米晶體在隱形眼鏡上的無(wú)聲閃爍，是科學(xué)智慧對自然感官界限的一次溫柔重構。當紅外光譜在人類(lèi)視網(wǎng)膜上投下第一縷可見(jiàn)的輝光，人們得以窺見(jiàn)超越百萬(wàn)年進(jìn)化設定的另一種可能?？茖W(xué)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(yǔ)言。(記者 吳長(cháng)鋒 洪敬譜)