當(dāng)夕陽(yáng)沉入地平線，世界在人類(lèi)眼中漸次褪色。然而在蛇類(lèi)的感知中，熱輻射勾勒出獵物的清晰輪廓；在螢火蟲(chóng)的復(fù)眼里，花朵反射著人類(lèi)不可見(jiàn)的紫外圖案。在可見(jiàn)光譜之外，自然界始終上演著無(wú)聲的光影戲劇，而人類(lèi)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(jué)局限迎來(lái)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(lèi)近紅外光視覺(jué)》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(guò)可穿戴的形式使人類(lèi)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(jué)疾病提供新的解決方案。
多數(shù)哺乳動(dòng)物無(wú)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(lèi)能否感知其存在。人類(lèi)視網(wǎng)膜上有一類(lèi)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(lèi)所看見(jiàn)的顏色。一直以來(lái)，人類(lèi)可看見(jiàn)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(lèi)視覺(jué)的極限。
“自然界中，人類(lèi)肉眼可感知的可見(jiàn)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(jiàn)光，這一特性使其既無(wú)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(jué)系統(tǒng)直接感知。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授薛天說(shuō)。
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(lèi)擁有專(zhuān)門(mén)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(chóng)，如部分甲蟲(chóng)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(jué)成像”。然而，對(duì)于人類(lèi)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(jiàn)為可見(jiàn)
如何突破哺乳動(dòng)物視覺(jué)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(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。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(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)。
“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(shuō)。
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(guò)近紅外光激發(fā)，可以轉(zhuǎn)換不同顏色的光。人體可以通過(guò)稀土納米顆粒的熒光顏色，判斷外界的肉眼不可見(jiàn)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(guò)鏡片，被納米晶體捕獲并實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光。這些新生的可見(jiàn)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(jué)皮層最終解讀這些信號(hào)，使佩戴者“看見(jiàn)”了原本不可見(jiàn)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(lèi)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(lèi)志愿者能夠獲得與可見(jiàn)光視覺(jué)空間分辨率一樣的近紅外圖像視覺(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)果顯示，通過(guò)佩戴三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，人類(lèi)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(lèi)近紅外色彩圖像視覺(jué)。
“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(lèi)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(lài)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(lài)于視覺(jué)生理學(xué)、材料科學(xué)和光學(xué)的跨學(xué)科合作。”薛天說(shuō)。
為視覺(jué)修復(fù)開(kāi)辟新方向
這項(xiàng)突破性技術(shù)帶來(lái)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(jué)”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(jiàn)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(wú)形警戒線，佩戴此眼鏡時(shí)即可看見(jiàn)警戒線。
更重要的是，該技術(shù)還將為視覺(jué)修復(fù)與增強(qiáng)帶來(lái)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(jué)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(jué)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(guò)光譜的“重新編碼”，幫助他們突破自然的視覺(jué)局限，感知更豐富的色彩信息。
納米晶體在隱形眼鏡上的無(wú)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(lèi)視網(wǎng)膜上投下第一縷可見(jiàn)的輝光，人們得以窺見(jiàn)超越百萬(wàn)年進(jìn)化設(shè)定的另一種可能?？茖W(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(lèi)眼中漸次褪色。然而在蛇類(lèi)的感知中，熱輻射勾勒出獵物的清晰輪廓；在螢火蟲(chóng)的復(fù)眼里，花朵反射著人類(lèi)不可見(jiàn)的紫外圖案。在可見(jiàn)光譜之外，自然界始終上演著無(wú)聲的光影戲劇，而人類(lèi)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(jué)局限迎來(lái)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(lèi)近紅外光視覺(jué)》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(guò)可穿戴的形式使人類(lèi)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(jué)疾病提供新的解決方案。
多數(shù)哺乳動(dòng)物無(wú)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(lèi)能否感知其存在。人類(lèi)視網(wǎng)膜上有一類(lèi)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(lèi)所看見(jiàn)的顏色。一直以來(lái)，人類(lèi)可看見(jiàn)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(lèi)視覺(jué)的極限。
“自然界中，人類(lèi)肉眼可感知的可見(jiàn)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(jiàn)光，這一特性使其既無(wú)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(jué)系統(tǒng)直接感知。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授薛天說(shuō)。
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(lèi)擁有專(zhuān)門(mén)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(chóng)，如部分甲蟲(chóng)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(jué)成像”。然而，對(duì)于人類(lèi)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(jiàn)為可見(jiàn)
如何突破哺乳動(dòng)物視覺(jué)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(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。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(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)。
“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(shuō)。
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(guò)近紅外光激發(fā)，可以轉(zhuǎn)換不同顏色的光。人體可以通過(guò)稀土納米顆粒的熒光顏色，判斷外界的肉眼不可見(jiàn)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(guò)鏡片，被納米晶體捕獲并實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光。這些新生的可見(jiàn)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(jué)皮層最終解讀這些信號(hào)，使佩戴者“看見(jiàn)”了原本不可見(jiàn)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(lèi)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(lèi)志愿者能夠獲得與可見(jiàn)光視覺(jué)空間分辨率一樣的近紅外圖像視覺(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)果顯示，通過(guò)佩戴三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，人類(lèi)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(lèi)近紅外色彩圖像視覺(jué)。
“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(lèi)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(lài)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(lài)于視覺(jué)生理學(xué)、材料科學(xué)和光學(xué)的跨學(xué)科合作。”薛天說(shuō)。
為視覺(jué)修復(fù)開(kāi)辟新方向
這項(xiàng)突破性技術(shù)帶來(lái)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(jué)”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(jiàn)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(wú)形警戒線，佩戴此眼鏡時(shí)即可看見(jiàn)警戒線。
更重要的是，該技術(shù)還將為視覺(jué)修復(fù)與增強(qiáng)帶來(lái)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(jué)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(jué)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(guò)光譜的“重新編碼”，幫助他們突破自然的視覺(jué)局限，感知更豐富的色彩信息。
納米晶體在隱形眼鏡上的無(wú)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(lèi)視網(wǎng)膜上投下第一縷可見(jiàn)的輝光，人們得以窺見(jiàn)超越百萬(wàn)年進(jìn)化設(shè)定的另一種可能?？茖W(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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