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

中国教育报讯（记者(jìzhě) 方梦宇）记者近日从中国科学技术大学(dàxué)获悉，该校生医部薛天、马玉乾团队与近代力学系龚兴龙、王胜团队，联合复旦大学张凡团队，以及(yǐjí)国际科研机构合作，制备出高透明、高转化效率的上(shàng)转换隐形眼镜，实现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)》，并被细胞出版社进行(jìnxíng)了专题报道。 自然界中(zhōng)，人类肉眼可感知的(de)可见光，仅占电磁波谱很小的一部分。前期研究中，薛天、马玉乾团队与(yǔ)合作者(hézuòzhě)将一种(yīzhǒng)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。研究成果2019年发表于《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(shíyònghuà)的关键挑战。 高分子聚合材料(cáiliào)制备(zhìbèi)(zhìbèi)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(shàng)转换隐形眼镜要解决两个问题：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(fēnsǎnxìng)，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，佩戴这种隐形眼镜的小鼠可以分辨不同时间频率(pínlǜ)和不同方位的近红外光信息。更重要的是，佩戴该(gāi)隐形眼镜的人类志愿者不仅可以看到一定光强范围(fànwéi)的近红外光，还可以准确识别近红外光的时间编码(biānmǎ)信息。 除此之外，研究人员还开发了(le)一种内置近红外光上转换(zhuǎnhuàn)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分辨率的近红外图像视觉，精确识别复杂(fùzá)近红外图形。 除了时间和空间信息外，视觉感知还可以(kěyǐ)在色彩(sècǎi)维度上传递丰富的信息。研究人员用三色正交上转换(zhuǎnhuàn)(zhuǎnhuàn)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(guāngpǔ)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(yǒuxiào)地识别(shíbié)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。 同时(tóngshí)需要指出的(de)是这项技术仍然有进一步提升的空间(kōngjiān)，例如目前的上转换效率仍然需要红外光源的辅助照射，另外上转换隐形眼镜如能实现发射(fāshè)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(jīngxì)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。 总体而言，这项研究通过视觉生理与纳米材料技术(jìshù)相结合，制备高透明、高转化效率(xiàolǜ)的上转换隐形眼镜，实现了无源、可穿戴的人类近红外图像视觉能力(nénglì)拓展，能够使人类感知近红外光的时间、空间和(hé)色彩多维度信息。该技术未来在医疗(yīliáo)、信息处理及视觉辅助技术领域具有广泛应用前景。