①图为上转换隐形眼镜。佩戴它后，人类有望突破视觉限制，“看见”蛇、萤火虫等动物眼中的世界。受访单位供图图片来源于网络，如有侵权，请联系删除②图为非洲树蛇。图片来源于网络，如有侵权，请联系删除③图为萤火虫。视觉中国供图 当夕阳沉入地平线，世界在人类眼中渐次褪色。然而在蛇类的感知中，热辐射勾勒出猎物的清晰轮廓；在萤火虫的复眼里，花朵反射着人类不可见的紫外图案。在可见光谱之外，自然界始终上演着无声的光影戏剧，而人类却因视网膜的局限，成为这场盛宴的缺席者。 如今，这一视觉局限迎来了突破的可能。 日前，中国科学技术大学与复旦大学等国内外科研机构合作的研究成果，以《上转换隐形眼镜赋能人类近红外光视觉》为题发表于《细胞》。该研究创新性地将一种含有多个荧光发射的稀土颗粒与隐形眼镜相结合，通过可穿戴的形式使人类感知近红外光的时间、空间和色彩等多维度信息，可为治疗色盲等视觉疾病提供新的解决方案。 多数哺乳动物无法识别红外线 光的本质是一段连续的电磁波谱，其波长差异决定了人类能否感知其存在。人类视网膜上有一类视锥细胞，能对红、绿、蓝三原色特异性响应。3种细胞被激活的比例，决定了人类所看见的颜色。一直以来，人类可看见的光波长范围仅限于400纳米（紫光）—700纳米（红光）。若能感知更加广阔的近红外波段（700纳米—2500纳米），将突破人类视觉的极限。 “自然界中，人类肉眼可感知的可见光，仅占电磁波谱的很小一部分。由于红外光所携带的能量低于可见光，这一特性使其既无法激发人眼视网膜中的感光细胞，也难以被绝大多数哺乳动物的视觉系统直接感知。”中国科学技术大学教授薛天说。 在自然界中，少数生物进化出了感知红外线的特殊能力。响尾蛇、蝮蛇等部分蛇类拥有专门的颊窝器官，能够探测温血动物散发的长波红外辐射。一些昆虫，如部分甲虫则能感知较近红外范围的光线。但这本质上是一种热感知，而非真正的“视觉成像”。然而，对于人类和小鼠等绝大多数哺乳动物而言，红外线始终是感官世界的盲区。 特殊材料变不可见为可见 如何突破哺乳动物视觉的天然壁垒？ 在前期研究中，薛天和中国科学技术大学特任教授马玉乾团队以及其他合作者将一种可以把近红外光转换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能力。2019年，这项研究论文发表于《细胞》。但眼内注射在人体应用受限，如何通过非侵入性方式实现近红外视觉，是该技术实用化的关键挑战。 “由高分子聚合材料制备的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隐形眼镜有两个前提：高效上转换能力和良好光学性能。”薛天说。 为此，研究人员对上转换纳米颗粒进行表面修饰，提高它们在高分子聚合材料中的均匀分散性，同时筛选出与上转换纳米颗粒折射率匹配的高分子聚合材料，制备出了上转换纳米颗粒掺杂比例高并且高度透明的近红外光上转换隐形眼镜。 研究人员介绍，稀土元素具有独特光学性质，通过近红外光激发，可以转换不同颜色的光。人体可以通过稀土纳米颗粒的荧光颜色，判断外界的肉眼不可见的近红外光波长，实现对近红外“色彩”的识别。 研究人员将含有这种高效上转换纳米颗粒的薄膜，精密地集成到常规的软性隐形眼镜基质中，确保其高度透明且佩戴舒适。当佩戴此眼镜时，外界的红外光穿过镜片，被纳米晶体捕获并实时转换为可见光。这些新生的可见光子随即进入人眼，被视网膜上的感光细胞正常接收和处理。大脑视觉皮层最终解读这些信号，使佩戴者“看见”了原本不可见的红外世界。 在实验验证时，佩戴这种隐形眼镜的小鼠可以分辨不同时间频率和不同方位的近红外光信息。值得一提的是，佩戴该隐形眼镜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。 除此之外，研究人员还开发了一种内置近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空间分辨率一样的近红外图像视觉，精确识别复杂近红外图形。 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。研究人员用三色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。实验结果显示，通过佩戴三色上转换隐形眼镜，人类志愿者可以有效识别三种波长的近红外光，感知多种近红外色彩。这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。 “这项技术仍然有进一步提升的空间，例如，目前该隐形眼镜上转换效率较低，仍然需要红外光源辅助照射才能使人类志愿者识别近红外光；另外，上转换隐形眼镜中的纳米颗粒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。这些都有赖于视觉生理学、材料科学和光学的跨学科合作。”薛天说。 为视...
