中国科大通过隐形眼镜方式实现人类近红外色彩图像视觉

中国教育(jiàoyù)报讯（记者 方梦宇）记者近日(jìnrì)从中国科学技术大学获悉，该校生医部薛天、马玉乾团队与近代力学系龚兴龙(gōngxīnglóng)、王胜团队，联合复旦大学张凡团队，以及国际科研机构合作，制备出高透明、高转化效率的上转换隐形眼镜，实现(shíxiàn)人类近红外时空色彩图像视觉能力。5月22日，研究成果在线发表于《细胞(xìbāo)》，并被(bèi)细胞出版社进行了专题报道。 自然界中，人类肉眼可感知的可见光，仅占(zhàn)电磁波(diàncíbō)谱很小的一部分。前期研究中，薛天、马玉乾团队与合作者将一种可以把近红外光转换(zhuǎnhuàn)为可见光的上转换纳米颗粒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(shìjué)能力。研究成果2019年发表于《细胞》。但眼内注射在人体应用(yìngyòng)受限。如何通过非侵入性(xìng)方式实现近红外视觉，是该技术实用化的关键挑战。 高分子聚合材料制备的(de)(de)软性透明隐形眼镜提供了一个可佩戴式的解决方案。但制备近红外光上转换(zhuǎnhuàn)隐形眼镜要(yào)解决两个问题：高效上转换能力和良好光学性能。为此，研究人员对上转换纳米颗粒进行表面修饰，提高(tígāo)它们在高分子聚合材料中的均匀分散性，同时筛选出(chū)与上转换纳米颗粒折射率匹配的高分子聚合材料，制备出了高掺杂比例（7%—9%）并且高度透明的近红外光上转换隐形眼镜。 实验验证，佩戴(pèidài)这种隐形眼镜的小鼠可以(kěyǐ)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，佩戴该隐形眼镜的人类(rénlèi)志愿者不仅(bùjǐn)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。 除此之外，研究人员还开发了一种内置近(jìn)红外光上转换隐形眼镜的可穿戴式框架眼镜系统，使人类志愿者能够获得与可见光视觉一样空间(kōngjiān)分辨率的近红外图像视觉，精确识别(shíbié)复杂近红外图形。 除了(le)时间和空间信息外，视觉感知(gǎnzhī)还可以(kěyǐ)在色彩维度上传递(chuándì)丰富的信息。研究人员用三色(sānsè)正交上转换纳米颗粒取代了传统的上转换纳米颗粒，制备出了三色上转换隐形眼镜，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。实验结果证明，通过佩戴三色上转换隐形眼镜，人类志愿者可以有效地(dì)识别三种波长的近红外光，感知多种近红外色彩。这(zhè)表明三色上转换隐形眼镜可以有效地实现人类近红外色彩图像视觉。 同时需要指出的(de)是(shì)这项技术仍然有进一步提升的空间，例如目前的上转换效率仍然需要红外光源(yuán)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(jièdǎo)的精细近红外图形视觉。这些都有赖于视觉生理学、材料科学和光学的跨学科合作(hézuò)。 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(gāo)透明(tòumíng)、高转化效率的上转换(zhuǎnhuàn)隐形眼镜，实现了无源、可(kě)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(shíjiān)、空间和色彩多维度信息。该技术未来在医疗、信息处理及视觉辅助技术领域具有广泛应用前景。