中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)薛天、馬玉乾團(tuán)隊(duì)與龔興龍、王勝團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)張凡團(tuán)隊(duì)，以及國際科研機(jī)構(gòu)合作，制備出高透明、高轉(zhuǎn)化效率的上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，實(shí)現(xiàn)人類近紅外時(shí)空色彩圖像視覺能力。5月22日，研究成果在線發(fā)表于《細(xì)胞》，并被細(xì)胞出版社進(jìn)行了專題報(bào)道。
被試者在佩戴上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡。課題組供圖
上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡。課題組供圖
自然界中，人類肉眼可感知的可見光，僅占電磁波譜很小的一部分。前期研究中，薛天、馬玉乾團(tuán)隊(duì)與合作者將一種可以把近紅外光轉(zhuǎn)換為可見光的上轉(zhuǎn)換納米顆粒注射到動(dòng)物視網(wǎng)膜中，首次實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物的裸眼近紅外圖像視覺能力。研究成果曾發(fā)表于《細(xì)胞》。但眼內(nèi)注射在人體應(yīng)用受限。如何通過非侵入性方式實(shí)現(xiàn)近紅外視覺，是該技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
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(zhuǎn)換隱形眼鏡要解決兩個(gè)問題：高效上轉(zhuǎn)換能力和良好光學(xué)性能。為此，研究人員對(duì)上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換納米顆粒折射率匹配的高分子聚合材料，制備出了高摻雜比例并且高度透明的近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，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。人類志愿者佩戴隱形眼鏡后，不僅可以看到一定光強(qiáng)范圍的近紅外光，還可以準(zhǔn)確識(shí)別近紅外光的時(shí)間編碼信息。
此外，研究人員還開發(fā)了一種內(nèi)置近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡的可穿戴式框架眼鏡系統(tǒng)，使人類志愿者能夠獲得與可見光視覺一樣空間分辨率的近紅外圖像視覺，精確識(shí)別復(fù)雜近紅外圖形。
除了時(shí)間和空間信息外，視覺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(zhuǎn)換納米顆粒取代傳統(tǒng)的上轉(zhuǎn)換納米顆粒，制備出了三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通過佩戴三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，人類志愿者可以有效地識(shí)別三種波長的近紅外光，感知多種近紅外色彩。這表明三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡可以有效地實(shí)現(xiàn)人類近紅外色彩圖像視覺。
研究人員介紹，這項(xiàng)技術(shù)還有提升空間，例如目前的上轉(zhuǎn)換效率仍需紅外光源的輔助照射。此外上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡如能實(shí)現(xiàn)發(fā)射光的定向輸出，就可能不依賴于鏡框光學(xué)系統(tǒng)直接實(shí)現(xiàn)隱形眼鏡介導(dǎo)的精細(xì)近紅外圖形視覺。這些都有賴于視覺生理學(xué)、材料科學(xué)和光學(xué)的跨學(xué)科合作。未來，該技術(shù)在醫(yī)療、信息處理及視覺輔助技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
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