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(zhōngguó)教育报讯(bàoxùn)（记者 方梦宇）记者近日从中国科学技术大学获悉，该校生医部薛天、马玉乾团队(tuánduì)与近代(jìndài)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(fābiǎo)于《细胞》，并被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，仅占电磁波谱很小的一部分。前期研究中，薛天、马玉乾(mǎyùqián)团队与合作者将一种可以把近红外光(hóngwàiguāng)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(shǒucì)实现了(le)哺乳动物(bǔrǔdòngwù)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(yìngyòng)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。 高分子聚合材料(cáiliào)制备的软性透明隐形眼镜提供了一个可佩戴(pèidài)式的解决方案。但制备近红外光(hóngwàiguāng)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(nàmǐ)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(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，佩戴这种隐形眼镜的小鼠(xiǎoshǔ)可以分辨不同时间频率和不同方位的近(jìn)红外光信息(xìnxī)。更重要的是，佩戴该隐形眼镜的人类志愿者不仅可以看到一定(yídìng)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(yánjiū)人员还开发(kāifā)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(shìjué)一样空间分辨率的近红外图像视觉，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(kěyǐ)在色彩维度上(shàng)(shàng)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(chū)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(jiéguǒ)证明，通过佩戴三色上转换隐形眼镜，人类志愿者(zhìyuànzhě)可以有效地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(túxiàng)视觉。 同时需要指出(zhǐchū)的是这项技术仍然(réngrán)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的辅助照射，另外上转换隐形眼镜如能实现发射光的定向(dìngxiàng)输出，就可能不依赖于镜框光学系统(guāngxuéxìtǒng)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(hé)光学的跨学科合作。 总体而言，这项研究通过视觉生理(shēnglǐ)与纳米材料(nàmǐcáiliào)技术相结合，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(jìn)红外图像视觉能力拓展，能够使人类感知近红外光的时间、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(jùyǒu)广泛应用前景。