188bet足球生命科(ke)學與醫學部和微(wei)尺(chi)度國家研(yan)究中心薛天/馬玉乾團隊，工(gong)程科(ke)學學院龔興龍/王(wang)勝團(tuan)隊(dui)，復旦大學化(hua)學系張凡團(tuan)隊(dui)，以及國際科研機構共同作為通訊作者，結(jie)合視覺神經科學、高分子材(cai)料與創新(xin)納米融(rong)合技術，通過(guo)隱形眼(yan)鏡方式實現人類(lei)近(jin)紅外時空色彩圖像(xiang)視覺。該(gai)研究成(cheng)果于2025年5月(yue)22日（美東時間）在線發(fa)表(biao)于國際頂級(ji)期刊Cell上，被(bei)Cell press進行News release專題(ti)報道(dao)。
自然(ran)界中存在包括可見光在內(nei)廣泛(fan)波長范圍(wei)的(de)電(dian)磁波，然(ran)而能夠被我們的(de)眼(yan)睛(jing)所感知的(de)可見光只占電(dian)磁波譜(pu)很小的(de)一部分（圖(tu)1），人眼所見光譜范圍的局(ju)限是由視(shi)網(wang)膜感(gan)光細胞中的感(gan)光蛋白(bai)（Opsin）固有的(de)物(wu)理化學特(te)性所(suo)決定。感光波譜缺陷會(hui)帶來色盲等視覺疾病，同時為了看到紅(hong)外線(xian)人類研發出夜視儀等裝備。薛(xue)天(tian)/馬玉(yu)乾研究團隊和韓綱教授研究組2019年(nian)在(zai)Cell上發表研究論文，利用一種轉換(huan)紅外光成(cheng)為可見光的(de)(de)上轉換(huan)納米材(cai)料，經特殊修(xiu)飾后注射到動物視網膜(mo)中，首次實現了哺(bu)乳動物的(de)(de)裸眼(yan)近紅外圖像視覺(jue)能力。然而，由(you)(you)于眼(yan)內(nei)注射的(de)(de)方(fang)(fang)式(shi)在(zai)人(ren)體上應用受(shou)限，如何通(tong)過非侵(qin)入性(xing)方(fang)(fang)式(shi)相對自由(you)(you)的(de)(de)調節人(ren)眼(yan)感光波譜范圍，甚(shen)至賦予人(ren)類近紅外視覺(jue)能力，就成(cheng)為這(zhe)項技術(shu)在(zai)人(ren)體上實際應用的(de)(de)挑戰(zhan)。
圖1.電磁波和可(ke)見光波譜
高分(fen)子聚合(he)材料制備的(de)軟性透(tou)明(ming)隱形眼鏡被廣泛應(ying)用于視(shi)力(li)矯正，這為我們實(shi)現人類近紅外視(shi)覺提供了一個可(ke)佩(pei)戴式的(de)解決(jue)方案。然而(er)，制備適(shi)合(he)人類視(shi)覺的(de)近紅外光(guang)上轉(zhuan)換隱形眼鏡（Upconversion Contact Lenses，UCLs），勢必要解決高(gao)效上轉換能力（高(gao)濃(nong)度(du)上轉換納(na)米(mi)(mi)顆粒(li)摻雜）和良(liang)好光學性能（高(gao)透明度(du)）的問題。但是(shi)，納(na)米(mi)(mi)顆粒(li)在高(gao)分子(zi)聚(ju)合材(cai)料中(zhong)的融合會改變其光學性質，使得難以獲(huo)得高(gao)濃(nong)度(du)、高(gao)透明度(du)的納(na)米(mi)(mi)復合物材(cai)料。為此，研究人員(yuan)對上轉換納(na)米(mi)(mi)顆粒(li)（Upconversion Nanoparticles, UCNPs）進行表面(mian)修(xiu)飾提高(gao)(gao)其在高(gao)(gao)分子聚合(he)材(cai)料中均勻(yun)分散性，同時篩選出與(yu)UCNPs折射(she)率匹配的高分子聚合(he)材(cai)料。獲得了高摻雜比例（7-9%）的近紅外光上轉換隱(yin)形眼鏡，在大多數可見光波(bo)譜范圍內表現出(chu)超過90%的透(tou)明度(du)。這比國際上已報道(dao)的0.04-2% UCNPs摻雜的其(qi)他高分(fen)子聚合材料的納米復合物材料具(ju)有(you)顯著(zhu)性能提升。
研究人員進一(yi)步(bu)驗證了這(zhe)種(zhong)近紅(hong)外光(guang)上轉換(huan)隱形眼鏡（Upconversion Contact Lenses, UCLs）具有較(jiao)(jiao)好的力(li)學性質、光學性能、親水(shui)性和(he)較(jiao)(jiao)高的生物相容性。佩(pei)戴UCLs的小鼠不(bu)僅獲得感(gan)知近紅外光(guang)的能力，還可以分辨不(bu)同(tong)時間頻率和不(bu)同(tong)方位的近紅外光(guang)信息。更重要(yao)的是，佩戴UCLs的(de)人類志愿者不僅(jin)可(ke)以(yi)看到(dao)一(yi)定光強范圍的(de)近紅外(wai)光，還可(ke)以(yi)準確(que)識別近紅外(wai)光的(de)時(shi)間編碼信息。
在僅利(li)用(yong)UCLs進行近紅外空間信息識別時，由于紅外圖像信息被UCLs轉換為(wei)散射(she)的可見光，導致人(ren)類志愿者僅能獲得粗(cu)糙的近(jin)紅外圖(tu)像辨別能力。為(wei)了克服這一困難，研(yan)究人(ren)員(yuan)開(kai)發了一種內置UCLs的可穿戴(dai)式框(kuang)架眼鏡系統(tong)（wearable eyeglass system）。通過優(you)化光學設(she)計，對(dui)UCLs轉換后的近紅外(wai)空間信息進行成像處(chu)理，使志(zhi)愿者(zhe)能夠獲得與可見光(guang)視覺(jue)一(yi)樣空間分辨率的近紅外(wai)圖像視覺(jue)，進而實(shi)現對復雜近紅外(wai)圖形(xing)的精(jing)確(que)識(shi)別。
除了(le)時間和空間信息(xi)(xi)外(wai)，視覺(jue)感知(zhi)還可以在色(se)彩維度(du)上傳遞豐富的信息(xi)(xi)。可見光中(zhong)的色(se)彩信息(xi)(xi)是(shi)由波長決定的。與可見光相(xiang)比，紅(hong)外(wai)光的波譜范圍更廣。為(wei)了(le)感知(zhi)在自然環(huan)境中(zhong)廣泛存(cun)在的多光譜紅(hong)外(wai)光，研究(jiu)人員(yuan)使用三色(se)正交UCNPs（trichromatic UCNPs）取代(dai)了傳統的UCNPs，可以(yi)將三種(zhong)不同(tong)光譜的近紅(hong)外光轉換成(cheng)紅(hong)、綠(lv)、藍三基色的可見光，同(tong)時避免了(le)發射(she)光譜波段的干擾問題。通過佩戴由(you)trichromatic UCNPs制備成的三色上轉換(huan)隱形眼鏡（trichromatic upconversion contact lenses，tUCLs），志(zhi)愿者可以有效地識別三(san)種波長的(de)(de)近紅外(wai)光(guang)，感知多(duo)種近紅外(wai)色彩。此外(wai)，通過色彩、時(shi)間、空間信(xin)息(xi)的(de)(de)結(jie)合，志(zhi)愿者可以準確識別出更豐富的(de)(de)近紅外(wai)光(guang)編(bian)碼的(de)(de)多(duo)維度信(xin)息(xi)。這表(biao)明具(ju)有抗(kang)干擾、正交和多(duo)光(guang)譜轉換特性(xing)的(de)(de)tUCLs可以有效地(di)實現人類近紅外色彩圖(tu)像視覺（圖(tu)2）。
圖2.各種圖(tu)形（不同反射波譜的(de)反射鏡片模擬）通過tUCLs內置的可(ke)穿戴式框架眼(yan)鏡(jing)系統在可(ke)見(jian)光(guang)和近紅外(wai)光(guang)照射下的色彩(cai)顯示
總體而言，這項研究通過(guo)視覺生(sheng)理與納(na)米材料技術(shu)相結合，制備高透明、高轉化(hua)效(xiao)率的上轉換(huan)隱形眼鏡，實(shi)現了無(wu)需電源和復雜外部設備、可穿(chuan)戴(dai)的人類(lei)近紅外圖(tu)像視覺能力拓展，能夠使人類(lei)感(gan)知(zhi)近紅外光的時(shi)間、空間和色彩多(duo)維度信息（圖(tu)3）。實(shi)現了(le)多紅外(wai)光譜(pu)轉換(huan)的人(ren)類近紅外(wai)色(se)彩(cai)視(shi)覺的概念(nian)驗(yan)證。未來在(zai)醫療、信息(xi)處理及視(shi)覺輔助技術領域(yu)具有(you)廣泛應用前(qian)景。此(ci)外(wai)，通過(guo)非(fei)侵入(ru)方(fang)式靈活調節人(ren)體視(shi)覺波譜(pu)范圍(wei)，也有(you)望為色(se)盲等視(shi)覺疾病的治療提供新的解(jie)決(jue)方(fang)案。
研(yan)究團隊指出，這(zhe)項技術是原理驗證性工(gong)作，仍(reng)有進一步(bu)優化空間，例如(ru)目(mu)前的(de)上轉換(huan)效(xiao)率還需要(yao)紅外光(guang)源的(de)輔(fu)助照射。另(ling)外(wai)上轉換(huan)隱(yin)形眼鏡如能實(shi)(shi)現(xian)發射(she)光的定向輸出，就(jiu)可能不(bu)依賴于鏡框光學系統直接實(shi)(shi)現(xian)隱(yin)形眼鏡介導的精細近紅(hong)外(wai)圖形視覺。這些目標的(de)實現，需要(yao)視覺生理學(xue)(xue)、材(cai)料(liao)科學(xue)(xue)與光學(xue)(xue)等(deng)多個學(xue)(xue)科進(jin)一步緊密合作。
圖(tu)3. 上轉換隱形眼鏡實現人類近紅(hong)外(wai)時空色(se)彩視覺
中(zhong)國金宝搏入口188生醫部(bu)和微(wei)尺度國家研究中(zhong)心(xin)的馬玉乾(qian)教授(shou)、博士(shi)生陳雨諾、工程科學學院王(wang)勝副教授(shou)、復旦大學化學系博士(shi)生陳子(zi)晗以及韓綱研究組張原瑋博士(shi)為(wei)該論文的共同(tong)第一作(zuo)者。中(zhong)國金宝搏入口188薛天教授(shou)為(wei)首要通訊(xun)作(zuo)者（Lead Contact），馬(ma)玉(yu)乾教授、龔(gong)興(xing)龍教授、王(wang)勝副教授、韓綱(gang)教授、張凡(fan)教授為論(lun)文的共(gong)同通訊作者。188bet足球為本項工(gong)作的第一作者和最后通訊作者單位。該研(yan)究得(de)(de)到(dao)人類前沿(yan)科(ke)學(xue)項(xiang)(xiang)(xiang)目(mu)(mu)及(ji)多個國際科(ke)研(yan)項(xiang)(xiang)(xiang)目(mu)(mu)和(he)基(ji)(ji)金(jin)(jin)的(de)支持。同(tong)時也得(de)(de)到(dao)科(ke)技部(bu)、基(ji)(ji)金(jin)(jin)委、中科(ke)院、安徽省(sheng)科(ke)技廳等(deng)部(bu)門的(de)項(xiang)(xiang)(xiang)目(mu)(mu)基(ji)(ji)金(jin)(jin)支持，以及(ji)新(xin)基(ji)(ji)石研(yan)究員項(xiang)(xiang)(xiang)目(mu)(mu)、科(ke)學(xue)探索(suo)獎(jiang)、峰(feng)基(ji)(ji)金(jin)(jin)等(deng)基(ji)(ji)金(jin)(jin)的(de)資助。此外(wai)，該工(gong)作還(huan)得(de)(de)到(dao)188bet足球物理(li)學(xue)院陳宇(yu)翱(ao)教授、殷旭(xu)飛博士(shi)的(de)技術支持。