人类还能感知到近红外线吗？科学家们制作了上转换隐形眼镜，极大地突破了人类的视觉极限

05-26 08:12

最近，中国科技大学薛天教授团队打造一款上转隐形眼镜（UCLs，upconversion contact lenses），实验使人类和小鼠获得了近红外时空色彩图像的视觉能力，突破了人类视觉的现有极限。

图 | 转换隐形眼镜(来源：中国科技大学)

这款上转隐形眼镜具有柔软、可穿戴、非侵入性的特点，具有较高的近红外转换效率和生物相容性。它可以扩展人类在多个近红外光谱范围内的视觉能力，使佩戴者能够区分近红外光谱的时间信息、空间数据和颜色信息。

实验数据显示，戴隐形眼镜的受试者可以识别近红外线的时间信息和空间数据，并做出行为决策。戴隐形眼镜的真实受试者可以区分近红外线信息，包括区分时间代码和空间图像。

即使闭上眼睛，受试者和受试者也能以有限的分辨率检测出红外光，这意味着人类戴着这种隐形眼镜也能在黑暗中看到。

同时，研究小组还开发了三色上转换隐形眼镜，使人类能够区分各种近红外光谱，这些光谱可以作为三原色发挥相关作用，从而实现人类近红外时空视觉。

将来，如果你需要秘密的夜间活动，你不需要使用笨重的夜视镜。由于近红外光具有更强的透射能力，这款上转隐形眼镜不仅适用于夜视条件，还可以在多雾或多尘的情况下使用，可以集成到智能产品中进行紧急救援。同时也能让色盲人感受到更多的波长。

作为一种概念验证，这项研究证明，通过可穿戴的纳米生物材料，人类可以实现超视觉能力，为人类近红外时空彩色视觉的广泛应用铺平了道路。

它揭示了可穿戴聚合物材料在非侵入性近红外线视觉领域的潜力，有利于人类感知和传递近红外线的时间维度、空间维度和色彩维度，使人类能够实现非侵入性和多维近红外线视觉，而无需复杂的外围设备。

哺乳动物，如人类和老鼠，“自然不足”

大家都知道，光-可以为生物传递大量的外部信息，从而帮助它们了解外部世界。

但是，哺乳动物只能感知到电磁波谱中的一小部分可见光(通常在 400 纳米至 700 纳米范围内)。

红外线(7000)可以看到蛇、蚊子、牛蛙等生物( 纳米至 1 mm），紫外线可见于蜜蜂、飞禽等生物(10) 纳米至 400 而锦鲤鱼则可以同时感知到这两种红外线和紫外线。

然而，人类必须在外部技术的支持下才能看到红外线和紫外线。这意味着超过一半的波长超过一半。 700 太阳辐射能以纳米红外光的形式存在，不能被哺乳动物感知。

图 | 电磁波及能见光波谱(来源：中国科技大学)

光谱中的感知局限性是由光子探测视觉蛋白质的物理热学特性决定的，这将导致大量可能获得的感官信息丢失。

尽管夜视镜或红外线 - 可见光转换器等工具已用于红外检测，但需要额外的能源支持，一般无法区分多个光谱中的红外信息。另外，每个红外线 - 可见光转化器都需要多层结构，这使得它们不能与人眼集成，因为它们不透明。

在之前的成就中，研究小组通过将光传感器注射到老鼠眼睛的视网膜下，并将纳米颗粒与光传感器亲和转换相结合。（pbUCNPs，photoreceptor-binding upconversion nanoparticles），使鼠标具有近红外视觉能力。但是，因为这种手术是侵入性的，所以人类不太容易接受眼部注射光感受器的做法。

如上所述，人类无法感知红外光，因为光子探测视蛋白的物理热学特性。然而，用肉眼看到多光谱红外光是一种非常令人期待的能力。因此，通过开发裸眼非侵入性近红外线视觉能力来测试多光谱近红外线是一项非常重要的研究目标。

利用正常的视觉空间分辨率实现近红外视觉

研究小组在论文中写道，基于聚合物材料的柔软透明的隐形眼镜已经用于矫正人眼屈光，这也为实现人类近红外线视觉提供了可穿戴的解决方案。然而，将纳米颗粒与聚合物材料混合会改变其光学特性，这将挑战纳米复合材料的高浓度和透明度。

为解决这个问题，研究小组对纳米颗粒进行上转换（UCNPs，upconversion nanoparticles）对聚合物材料进行改性，并根据折光率匹配程度进行选择。

基于此，研究小组开发了这款上转隐形眼镜，其透明度在大多数波长下超过了 90% 近红外线，上转换纳米粒子的质量比为 7%。

在此之前，将纳米颗粒在透明纳米复合材料中的质量比作与这项研究相比，0.04%-2%的比例明显增加，这表明他们成功平衡了上转换纳米颗粒在上转换隐形眼镜中的组合及其自身的光学特性。

研究小组使用三色正交上转换纳米颗粒，以区分近红外光的多个光谱。（trichromatic orthogonal UCNPs）这种新型纳米颗粒可以替代传统的上转换纳米颗粒，将三个不同光谱波段的近红外光转换成三种本色的能见光。

隐形眼镜可以通过这种三原色上转换。（tUCLs，trichromatic upconversion contact lenses），它们成功地实现了人类。 800-1600 纳米波段近红外光的色觉感知，使人的眼睛可以在三个不同的波长区域检查近红外光，从而编码更丰富的近红外光信息。

在此范围内，近红外线可通过眼睑、角膜等含有水分的生物组织，从而提高近红外线视觉和生物成像效果。

(来源：中国科技大学)

研究人员在文章中表示，虽然学术界已经报道了将纳米颗粒转化为太多光谱，甚至报道了将纳米颗粒与高聚物结合的效果，但这些工作并没有真正实现人类的近红外色觉。此外，这些技术的具体落地受到纳米颗粒混合浓度低、需要大功率近红外光的限制。

相比之下，研究小组通过调节纳米颗粒和水凝胶的折射率，成功克服了这些技术问题，从而促进了三色正交颗粒的发展，进而促进了生物视觉感知和视觉识别的应用。

此外，这些纳米材料的激发光谱和发射光谱可以通过添加敏化剂和活性剂来调节，以及使用改变核壳纳米结构和宿主材料的方法。

通过这种方式，可以通过近红外色觉检测出更广泛的近红外波长，从而有望使哺乳动物感知到更全面的近红外信息。

如上所述，这项研究分别进行了小鼠实验和真人实验。那测试具体包含哪些细节呢？

据了解：

在老鼠实验中，他们让老鼠在暗箱和红外线照明盒之间做出选择。结果发现戴隐形眼镜的老鼠选择了暗盒，而没有戴的老鼠没有表现出任何喜好。这说明戴隐形眼镜的老鼠的眼瞳在红外线照射下会收缩，大脑显示的老鼠视觉处理中心也对光信号做出了反应。

在现实生活实验中，研究团队要求受试者在人体检测中完成两项任务，以检验隐形眼镜转换的效果:一是识别红外线中的莫尔斯电码闪烁信号，二是判断红外线光源的入射方向。结果非常令人震惊：与能见光相比，无论是受试者还是真人受试者，在闭上眼睛时，都能更好地区分红外光。研究小组认为，这是因为红外光比能见光更能有效地通过眼睑。

随后，他们还调整了纳米颗粒，使其能够对不同的红外波长进行色彩编码，从而使佩戴者能够在红外光下感知到更多的细节，从而帮助色盲者感知到更多的波长。

虽然佩戴转换隐形眼镜的受试者可以识别闪烁近红外线的时间信息，以及从特定视觉象限中识别近红外线的方向。但从光学原理的角度来看，上转换隐形眼镜很难实现详细的图像感知，因为上转换透射的能见光改变了近红外线进入人眼前携带的空间数据。

为克服这一问题，研究小组设计了一个可穿戴的眼镜系统，使受试者能够大致了解。 65 c/d 空间分辨率阀值区分近红外移动光栅。这与典型的人类视觉空间分辨率阀值(约) 60 c/d）相当，通过这种方法，人类可以通过正常的视觉空间分辨率来实现近红外线视觉。