中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)通過(guò)隱形眼鏡方式實(shí)現(xiàn)人類近紅外色彩圖像視覺(jué)

中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢(mèng)宇）記者近日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校生醫(yī)部薛天、馬玉乾團(tuán)隊(duì)與近代力學(xué)系龔興龍、王勝團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)張凡團(tuán)隊(duì)，以及國(guó)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(jué)能力。5月22日，研究成果在線發(fā)表于《細(xì)胞》（Cell），并被細(xì)胞出版社（Cell Press）進(jìn)行了專題報(bào)道。

自然界中，人類肉眼可感知的可見(jiàn)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(jiàn)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(jué)能力。研究成果2019年發(fā)表于《細(xì)胞》。但眼內(nèi)注射在人體應(yīng)用受限。如何通過(guò)非侵入性方式實(shí)現(xiàn)近紅外視覺(jué)，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(wèn)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?cè)诟叻肿泳酆喜牧现械木鶆蚍稚⑿?，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（7%—9%）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。更重要的是，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(kāi)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(jiàn)光視覺(jué)一樣空間分辨率的近紅外圖像視覺(jué)，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(jué)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，制備出了三色上轉(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(jiàn)光。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通過(guò)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(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(jué)。

同時(shí)需要指出的是這項(xiàng)技術(shù)仍然有進(jìn)一步提升的空間，例如目前的上轉(zhuǎn)換效率仍然需要紅外光源的輔助照射，另外上轉(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(jué)。這些都有賴于視覺(jué)生理學(xué)、材料科學(xué)和光學(xué)的跨學(xué)科合作。

總體而言，這項(xiàng)研究通過(guò)視覺(jué)生理與納米材料技術(shù)相結(jié)合，制備高透明、高轉(zhuǎn)化效率的上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，實(shí)現(xiàn)了無(wú)源、可穿戴的人類近紅外圖像視覺(jué)能力拓展，能夠使人類感知近紅外光的時(shí)間、空間和色彩多維度信息。該技術(shù)未來(lái)在醫(yī)療、信息處理及視覺(jué)輔助技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

被試者佩在佩戴轉(zhuǎn)換隱形眼鏡 課題組供圖