這種隱形眼鏡，突破了光譜對人類視力的限制

圖源：中國科學技術大學

導讀：

最近，中國科學家最新研發出一種神奇的隱形眼鏡，首次讓人類實現了近紅外視覺。這一突破，源於六年前在小鼠身上驗證的理論，如今首次成功應用在人類身上，成為“擴充套件人體感官邊界”的關鍵一步。

瑪雅藍 | 撰文

清楚的夜間視力是許多人嚮往的“超能力”。人眼能看到的可見光波長只佔光譜的一小部分，波長區間僅為400-700奈米（nm）。而在這一範圍之外，許多物體，如電子裝置的遙控訊號、安防監控的紅外光源，甚至溫血動物都會發射或反射紅外光，但這些資訊對人眼完全不可見。如果能夠突破這一限制，擴充套件人眼可見的波長範圍，我們就能獲得更豐富的環境資訊，比如在煙霧中穿透視野、甚至直接“看到”熱源或特定訊號。

2025年5月22日，中國科學技術大學薛天教授團隊在《細胞》（Cell）雜誌發表文章[1]，宣佈他們與合作者就研發了一種新型隱形眼鏡，首次在人體中實現了無需電源、可穿戴的近紅外視覺系統。

這項突破性進展意味著：過去僅在小鼠實驗中驗證的理論，終於被成功拓展至人類，標誌著人類感光能力人工擴充套件的一個重要里程碑。

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從小鼠到人類的驗證

2019年，薛天團隊將上轉換奈米顆粒（（upconversion nanoparticles, UCNPs）注射到小鼠視網膜中，使小鼠獲得了近紅外視覺[2]。這些顆粒使用稀土元素製備，能夠吸收低能量的光子，經過物理過程將其轉換為高能量的光子。透過選擇合適的材料，就能將波長在980nm左右的近紅外光轉換為波長535nm左右的可見光。

如今，為了避免操作的侵入性，以方便推廣應用，研究團隊嘗試改用更溫和、可佩戴的方式，將上轉換奈米顆粒融合到隱形眼鏡中。

這一新材料的挑戰，在於如何在加入一定比例奈米材料的同時，使隱形眼鏡保持良好的光學效能。薛天告訴《賽先生》，奈米材料摻雜太少，則轉換效率不夠，難以獲得理想的近紅外視覺；而當奈米材料摻雜超過1%，隱形眼鏡的透光度會顯著下降。

這其中的主要原因，在於奈米材料與隱形眼鏡材料折射率的不匹配。薛天介紹，透過從商用隱形眼鏡材料中篩選折射率匹配的材料，研究團隊可以實現上轉換奈米顆粒7%以上的高比例摻雜，達到較高的轉換效率，同時保持良好的透明度。

為檢驗這種新型隱形眼鏡的效果，研究團隊首先在小鼠身上開展了實驗。戴隱形眼鏡的小鼠表現出的行為表明，它們確實看到了近紅外波長。例如，讓小鼠在暗箱和近紅外照明箱中進行選擇時，戴隱形眼鏡的小鼠表現出躲避光線的習性，選擇了暗箱，而不戴隱形眼鏡的小鼠則沒有表現出偏好。生理訊號檢測也表明，戴上隱形眼鏡的小鼠確實產生了近紅外視覺——它們在紅外光照射下瞳孔收縮，腦成像顯示此時它們的初級視皮層被啟用。

小鼠實驗還顯示，與普通的商用隱形眼鏡相比，新增上轉換奈米顆粒的隱形眼鏡不會對眼睛造成額外的傷害。

而在人體中的功能性測試實驗顯示，人類受試者戴上鏡片後，不僅能看到一定光強範圍的近紅外光，還可以分辨不同頻率閃爍的近紅外訊號。

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近紅外光的視覺編碼

藉助這樣的隱形眼鏡，使用者還能辨認出訊號的方位，但是無法很好地識別出影像的細節。這是因為在將近紅外光轉換為可見光的過程中，光線經過吸收和再發射，然後立即進入人眼，方向資訊發生了損失。

為了讓人類進一步區分不同波段的近紅外資訊，研究團隊對奈米粒子進行工程設計，研發了三色正交上轉換奈米顆粒，可以將近紅外光轉換為三段不同的可見光譜，對應紅、綠、藍三原色。例如，波長為980 奈米的近紅外線被轉換成藍光，波長為 808 奈米的近紅外線被轉換成綠光，波長為 1532 奈米的近紅外線被轉換成紅光。

這樣的轉換原理與我們用紅外探測器、夜視儀進行觀測並不相同。這類儀器藉助感測器識別紅外光，然後依據系統設定，透過光電倍增技術將弱光訊號放大到可檢測的範圍。然後人為透過系統設定將影像加上偽彩色，呈現出人眼能夠識別的影像，稱為偽彩色影像。而上轉換奈米材料無需藉助外部電源，就能夠將遠紅外轉變為可見光，使用起來更加便捷，使用場景也隨之擴充套件。

例如，在有煙霧、粉塵的環境，近紅外光的穿透性要比可見光更強，所以這項技術有望應用於特殊環境的作業。對這類奈米粒子進行改良，調整它們的激發波譜，可以幫助色盲人士看到他們無法直接感知的光波長範圍。

“近紅外光佔據環境中光照輻射能量的約45%，能夠看到近紅外光能夠給我們提供周圍世界豐富的資訊。例如，不同顏色的物體反映著其不同的反射波譜資訊，也表明其不同物質屬性；就像西紅柿由綠變紅，顏色發生了改變，我們知道它熟了。那麼物體紅外波段的反射波譜就會攜帶更豐富的物性資訊，比如不同礦物有不同的近紅外反射光譜。我們剛剛還在同地質專家討論，也許可以用類似技術做便攜的紅外波段物性識別和檢測。”薛天講。

另外，為了改善視覺效果，研究團隊採用了框架眼鏡設計，將三片凸透鏡和一片新增上轉換奈米顆粒的平面材料相疊加。這樣的結構能夠實現更高的影像空間解析度，幫助使用者識別出橫向、縱向和曲線等細節的近紅外影像，看見以近紅外訊號顯示的“USTC”（中國科學技術大學英文名首字母縮寫）字樣。

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科幻走進現實

薛天自己和實驗室的一些學生都嘗試了佩戴這一隱形眼鏡。“其實把近紅外光經過轉換之後，你看到的就是可見光了。不戴眼鏡的時候（暗室裡）什麼都看不到，但是戴上它之後，它就根據波長，把訊號轉換成對應顏色的可見光。”薛天介紹說。

他補充道，在普通的自然光環境下，轉換之後的畫面會直接疊加在背景之上；如果環境昏暗或閉上眼，近紅外訊號就能看得更清晰，這是因為近紅外光可以穿透眼瞼，避免了可見光干擾。這就好像當我們把手掌蓋在手電筒上，能透出來的只有紅光一樣。

看見別人肉眼看不見的東西聽起來像是科幻中的設定，但科學家的努力正在將這樣的幻想轉變為現實。但薛天強調，這項技術目前還無法實現許多人嚮往的“夜間視物”，需要藉助近紅外光源發出訊號或照射物體，使用者才能看見。而人類和其他溫血動物發出的熱輻射屬於遠紅外輻射，波長要比近紅外更長，目前的技術還無法將其轉換為可見光。

“我們只是實現了用可佩戴式裝置擴充套件人體感光光譜的理論驗證，比2019年的工作往前走了一步，但離直接在夜間看到物體發出的熱輻射還有相當的距離，”薛天說。

參考來源：

[1] Maetal.,Near-infraredspatiotemporalcolorvisioninhumansenabledbyupconversioncontactlenses,Cell (2025),https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.01

[2] Ma et al. Mammalian near-infrared image vision through injectable and self-powered retinal nanoantennae, Cell(2019), https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.01.038