當(dāng)夕陽(yáng)沉入地平線，世界在人類眼中漸次褪色。然而在蛇類的感知中，熱輻射勾勒出獵物的清晰輪廓；在螢火蟲的復(fù)眼里，花朵反射著人類不可見的紫外圖案。在可見光譜之外，自然界始終上演著無聲的光影戲劇，而人類卻因視網(wǎng)膜的局限，成為這場(chǎng)盛宴的缺席者。
如今，這一視覺局限迎來了突破的可能。
日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與復(fù)旦大學(xué)等國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)合作的研究成果，以《上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡賦能人類近紅外光視覺》為題發(fā)表于《細(xì)胞》。該研究創(chuàng)新性地將一種含有多個(gè)熒光發(fā)射的稀土顆粒與隱形眼鏡相結(jié)合，通過可穿戴的形式使人類感知近紅外光的時(shí)間、空間和色彩等多維度信息，可為治療色盲等視覺疾病提供新的解決方案。
多數(shù)哺乳動(dòng)物無法識(shí)別紅外線
光的本質(zhì)是一段連續(xù)的電磁波譜，其波長(zhǎng)差異決定了人類能否感知其存在。人類視網(wǎng)膜上有一類視錐細(xì)胞，能對(duì)紅、綠、藍(lán)三原色特異性響應(yīng)。3種細(xì)胞被激活的比例，決定了人類所看見的顏色。一直以來，人類可看見的光波長(zhǎng)范圍僅限于400納米（紫光）—700納米（紅光）。若能感知更加廣闊的近紅外波段（700納米—2500納米），將突破人類視覺的極限。
“自然界中，人類肉眼可感知的可見光，僅占電磁波譜的很小一部分。由于紅外光所攜帶的能量低于可見光，這一特性使其既無法激發(fā)人眼視網(wǎng)膜中的感光細(xì)胞，也難以被絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物的視覺系統(tǒng)直接感知。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授薛天說。
在自然界中，少數(shù)生物進(jìn)化出了感知紅外線的特殊能力。響尾蛇、蝮蛇等部分蛇類擁有專門的頰窩器官，能夠探測(cè)溫血?jiǎng)游锷l(fā)的長(zhǎng)波紅外輻射。一些昆蟲，如部分甲蟲則能感知較近紅外范圍的光線。但這本質(zhì)上是一種熱感知，而非真正的“視覺成像”。然而，對(duì)于人類和小鼠等絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物而言，紅外線始終是感官世界的盲區(qū)。
特殊材料變不可見為可見
如何突破哺乳動(dòng)物視覺的天然壁壘？
在前期研究中，薛天和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任教授馬玉乾團(tuán)隊(duì)以及其他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)了哺乳動(dòng)物的裸眼近紅外圖像視覺能力。2019年，這項(xiàng)研究論文發(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)。
“由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)換隱形眼鏡有兩個(gè)前提：高效上轉(zhuǎn)換能力和良好光學(xué)性能。”薛天說。
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?cè)诟叻肿泳酆喜牧现械木鶆蚍稚⑿裕瑫r(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，制備出了上轉(zhuǎn)換納米顆粒摻雜比例高并且高度透明的近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡。
研究人員介紹，稀土元素具有獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)，通過近紅外光激發(fā)，可以轉(zhuǎn)換不同顏色的光。人體可以通過稀土納米顆粒的熒光顏色，判斷外界的肉眼不可見的近紅外光波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)近紅外“色彩”的識(shí)別。
研究人員將含有這種高效上轉(zhuǎn)換納米顆粒的薄膜，精密地集成到常規(guī)的軟性隱形眼鏡基質(zhì)中，確保其高度透明且佩戴舒適。當(dāng)佩戴此眼鏡時(shí)，外界的紅外光穿過鏡片，被納米晶體捕獲并實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為可見光。這些新生的可見光子隨即進(jìn)入人眼，被視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞正常接收和處理。大腦視覺皮層最終解讀這些信號(hào)，使佩戴者“看見”了原本不可見的紅外世界。
在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，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。值得一提的是，佩戴該隱形眼鏡的人類志愿者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。
除此之外，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空間分辨率一樣的近紅外圖像視覺，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)換納米顆粒取代了傳統(tǒng)的上轉(zhuǎn)換納米顆粒，制備出三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，可以將三種不同光譜的近紅外光轉(zhuǎn)換成紅、綠、藍(lán)三基色的可見光。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過佩戴三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，人類志愿者可以有效識(shí)別三種波長(zhǎng)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。
“這項(xiàng)技術(shù)仍然有進(jìn)一步提升的空間，例如，目前該隱形眼鏡上轉(zhuǎn)換效率較低，仍然需要紅外光源輔助照射才能使人類志愿者識(shí)別近紅外光；另外，上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡中的納米顆粒如能實(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。”薛天說。
為視覺修復(fù)開辟新方向
這項(xiàng)突破性技術(shù)帶來的遠(yuǎn)非實(shí)驗(yàn)室中的新奇體驗(yàn)，其應(yīng)用前景廣闊而深遠(yuǎn)。比如，相較于笨重、耗電、視野受限且僅提供單色圖像的傳統(tǒng)紅外夜視儀，這種隱形眼鏡方案將為安保人員在完全黑暗或煙霧中行動(dòng)、救援隊(duì)員搜尋熱源、工程師進(jìn)行設(shè)備熱檢，甚至普通消費(fèi)者在夜間活動(dòng)等提供了前所未有的非侵入式“超級(jí)視覺”工具。
該技術(shù)在信息傳輸領(lǐng)域也展現(xiàn)出潛力：可利用人眼不可見但眼鏡可轉(zhuǎn)換的特定紅外光源，設(shè)計(jì)出高度隱蔽的通信或加密系統(tǒng)。例如，于特定位置閃爍的紅外信號(hào)可在人群中向特定佩戴者傳遞秘密指令；產(chǎn)品上的紅外防偽標(biāo)記只有在佩戴此眼鏡時(shí)才能顯現(xiàn)，大大提升防偽可靠性；博物館或機(jī)密區(qū)域可使用紅外光束劃定無形警戒線，佩戴此眼鏡時(shí)即可看見警戒線。
更重要的是，該技術(shù)還將為視覺修復(fù)與增強(qiáng)帶來新曙光。全球約每12名男性與200名女性中即有1人存在色覺缺陷，且多為紅綠色盲。其根源在于視網(wǎng)膜中負(fù)責(zé)感知紅或綠特定波長(zhǎng)的視錐細(xì)胞缺失或功能異常。
對(duì)于色盲、色弱等色覺異常人群，這項(xiàng)技術(shù)提供了極具想象力的干預(yù)方向，可通過光譜的“重新編碼”，幫助他們突破自然的視覺局限，感知更豐富的色彩信息。
納米晶體在隱形眼鏡上的無聲閃爍，是科學(xué)智慧對(duì)自然感官界限的一次溫柔重構(gòu)。當(dāng)紅外光譜在人類視網(wǎng)膜上投下第一縷可見的輝光，人們得以窺見超越百萬年進(jìn)化設(shè)定的另一種可能。科學(xué)賦予我們的，不僅是工具，更是理解廣袤宇宙的新感官與新語(yǔ)言。
當(dāng)夕陽(yáng)沉入地平線，世界在人類眼中漸次褪色。然而在蛇類的感知中，熱輻射勾勒出獵物的清晰輪廓；在螢火蟲的復(fù)眼里，花朵反射著人類不可見的紫外圖案。在可見光譜之外，自然界始終上演著無聲的光影戲劇，而人類卻因視網(wǎng)膜的局限，成為這場(chǎng)盛宴的缺席者。
如今，這一視覺局限迎來了突破的可能。
日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與復(fù)旦大學(xué)等國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)合作的研究成果，以《上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡賦能人類近紅外光視覺》為題發(fā)表于《細(xì)胞》。該研究創(chuàng)新性地將一種含有多個(gè)熒光發(fā)射的稀土顆粒與隱形眼鏡相結(jié)合，通過可穿戴的形式使人類感知近紅外光的時(shí)間、空間和色彩等多維度信息，可為治療色盲等視覺疾病提供新的解決方案。
多數(shù)哺乳動(dòng)物無法識(shí)別紅外線
光的本質(zhì)是一段連續(xù)的電磁波譜，其波長(zhǎng)差異決定了人類能否感知其存在。人類視網(wǎng)膜上有一類視錐細(xì)胞，能對(duì)紅、綠、藍(lán)三原色特異性響應(yīng)。3種細(xì)胞被激活的比例，決定了人類所看見的顏色。一直以來，人類可看見的光波長(zhǎng)范圍僅限于400納米（紫光）—700納米（紅光）。若能感知更加廣闊的近紅外波段（700納米—2500納米），將突破人類視覺的極限。
“自然界中，人類肉眼可感知的可見光，僅占電磁波譜的很小一部分。由于紅外光所攜帶的能量低于可見光，這一特性使其既無法激發(fā)人眼視網(wǎng)膜中的感光細(xì)胞，也難以被絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物的視覺系統(tǒng)直接感知。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授薛天說。
在自然界中，少數(shù)生物進(jìn)化出了感知紅外線的特殊能力。響尾蛇、蝮蛇等部分蛇類擁有專門的頰窩器官，能夠探測(cè)溫血?jiǎng)游锷l(fā)的長(zhǎng)波紅外輻射。一些昆蟲，如部分甲蟲則能感知較近紅外范圍的光線。但這本質(zhì)上是一種熱感知，而非真正的“視覺成像”。然而，對(duì)于人類和小鼠等絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物而言，紅外線始終是感官世界的盲區(qū)。
特殊材料變不可見為可見
如何突破哺乳動(dòng)物視覺的天然壁壘？
在前期研究中，薛天和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任教授馬玉乾團(tuán)隊(duì)以及其他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)了哺乳動(dòng)物的裸眼近紅外圖像視覺能力。2019年，這項(xiàng)研究論文發(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)。
“由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)換隱形眼鏡有兩個(gè)前提：高效上轉(zhuǎn)換能力和良好光學(xué)性能。”薛天說。
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?cè)诟叻肿泳酆喜牧现械木鶆蚍稚⑿裕瑫r(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，制備出了上轉(zhuǎn)換納米顆粒摻雜比例高并且高度透明的近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡。
研究人員介紹，稀土元素具有獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)，通過近紅外光激發(fā)，可以轉(zhuǎn)換不同顏色的光。人體可以通過稀土納米顆粒的熒光顏色，判斷外界的肉眼不可見的近紅外光波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)近紅外“色彩”的識(shí)別。
研究人員將含有這種高效上轉(zhuǎn)換納米顆粒的薄膜，精密地集成到常規(guī)的軟性隱形眼鏡基質(zhì)中，確保其高度透明且佩戴舒適。當(dāng)佩戴此眼鏡時(shí)，外界的紅外光穿過鏡片，被納米晶體捕獲并實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為可見光。這些新生的可見光子隨即進(jìn)入人眼，被視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞正常接收和處理。大腦視覺皮層最終解讀這些信號(hào)，使佩戴者“看見”了原本不可見的紅外世界。
在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，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。值得一提的是，佩戴該隱形眼鏡的人類志愿者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。
除此之外，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空間分辨率一樣的近紅外圖像視覺，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)換納米顆粒取代了傳統(tǒng)的上轉(zhuǎn)換納米顆粒，制備出三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，可以將三種不同光譜的近紅外光轉(zhuǎn)換成紅、綠、藍(lán)三基色的可見光。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過佩戴三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，人類志愿者可以有效識(shí)別三種波長(zhǎng)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。
“這項(xiàng)技術(shù)仍然有進(jìn)一步提升的空間，例如，目前該隱形眼鏡上轉(zhuǎn)換效率較低，仍然需要紅外光源輔助照射才能使人類志愿者識(shí)別近紅外光；另外，上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡中的納米顆粒如能實(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。”薛天說。
為視覺修復(fù)開辟新方向
這項(xiàng)突破性技術(shù)帶來的遠(yuǎn)非實(shí)驗(yàn)室中的新奇體驗(yàn)，其應(yīng)用前景廣闊而深遠(yuǎn)。比如，相較于笨重、耗電、視野受限且僅提供單色圖像的傳統(tǒng)紅外夜視儀，這種隱形眼鏡方案將為安保人員在完全黑暗或煙霧中行動(dòng)、救援隊(duì)員搜尋熱源、工程師進(jìn)行設(shè)備熱檢，甚至普通消費(fèi)者在夜間活動(dòng)等提供了前所未有的非侵入式“超級(jí)視覺”工具。
該技術(shù)在信息傳輸領(lǐng)域也展現(xiàn)出潛力：可利用人眼不可見但眼鏡可轉(zhuǎn)換的特定紅外光源，設(shè)計(jì)出高度隱蔽的通信或加密系統(tǒng)。例如，于特定位置閃爍的紅外信號(hào)可在人群中向特定佩戴者傳遞秘密指令；產(chǎn)品上的紅外防偽標(biāo)記只有在佩戴此眼鏡時(shí)才能顯現(xiàn)，大大提升防偽可靠性；博物館或機(jī)密區(qū)域可使用紅外光束劃定無形警戒線，佩戴此眼鏡時(shí)即可看見警戒線。
更重要的是，該技術(shù)還將為視覺修復(fù)與增強(qiáng)帶來新曙光。全球約每12名男性與200名女性中即有1人存在色覺缺陷，且多為紅綠色盲。其根源在于視網(wǎng)膜中負(fù)責(zé)感知紅或綠特定波長(zhǎng)的視錐細(xì)胞缺失或功能異常。
對(duì)于色盲、色弱等色覺異常人群，這項(xiàng)技術(shù)提供了極具想象力的干預(yù)方向，可通過光譜的“重新編碼”，幫助他們突破自然的視覺局限，感知更豐富的色彩信息。
納米晶體在隱形眼鏡上的無聲閃爍，是科學(xué)智慧對(duì)自然感官界限的一次溫柔重構(gòu)。當(dāng)紅外光譜在人類視網(wǎng)膜上投下第一縷可見的輝光，人們得以窺見超越百萬年進(jìn)化設(shè)定的另一種可能。科學(xué)賦予我們的，不僅是工具，更是理解廣袤宇宙的新感官與新語(yǔ)言。
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