【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部和合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心薛天/馬玉乾團(tuán)隊(duì)，工程科學(xué)學(xué)院龔興龍/王勝團(tuán)隊(duì)，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系張凡團(tuán)隊(duì)，以及國(guó)際科研機(jī)構(gòu)共同作為通訊作者，結(jié)合視覺(jué)神經(jīng)科學(xué)、高分子材料與創(chuàng)新納米融合技術(shù)，通過(guò)隱形眼鏡方式實(shí)現(xiàn)人類近紅外時(shí)空色彩圖像視覺(jué)。該研究成果于5月22日在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊Cell上，被Cell press進(jìn)行News release專題報(bào)道。
 

　　自然界中存在包括可見(jiàn)光在內(nèi)廣泛波長(zhǎng)范圍的電磁波，然而能夠被我們的眼睛所感知的可見(jiàn)光只占電磁波譜很小的一部分(圖1)，人眼所見(jiàn)光譜范圍的局限是由視網(wǎng)膜感光細(xì)胞中的感光蛋白 (Opsin) 固有的物理化學(xué)特性所決定。感光波譜缺陷會(huì)帶來(lái)色盲等視覺(jué)疾病，同時(shí)為了看到紅外線人類研發(fā)出夜視儀等裝備。薛天/馬玉乾研究團(tuán)隊(duì)和韓綱教授研究組2019年在 Cell 上發(fā)表研究論文，利用一種轉(zhuǎn)換紅外光成為可見(jiàn)光的上轉(zhuǎn)換納米材料，經(jīng)特殊修飾后注射到動(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。然而，由于眼內(nèi)注射的方式在人體上應(yīng)用受限，如何通過(guò)非侵入性方式相對(duì)自由的調(diào)節(jié)人眼感光波譜范圍，甚至賦予人類近紅外視覺(jué)能力，就成為這項(xiàng)技術(shù)在人體上實(shí)際應(yīng)用的挑戰(zhàn)。
 

圖1.電磁波和可見(jiàn)光波譜
 

　　高分子聚合材料制備的軟性透明隱形眼鏡被廣泛應(yīng)用于視力矯正，這為我們實(shí)現(xiàn)人類近紅外視覺(jué)提供了一個(gè)可佩戴式的解決方案。然而，制備適合人類視覺(jué)的近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡(UpconversionContactLenses，UCLs)，勢(shì)必要解決高效上轉(zhuǎn)換能力(高濃度上轉(zhuǎn)換納米顆粒摻雜)和良好光學(xué)性能(高透明度)的問(wèn)題。但是，納米顆粒在高分子聚合材料中的融合會(huì)改變其光學(xué)性質(zhì)，使得難以獲得高濃度、高透明度的納米復(fù)合物材料。為此，研究人員對(duì)上轉(zhuǎn)換納米顆粒(Upconversion Nanoparticles,UCNPs)進(jìn)行表面修飾提高其在高分子聚合材料中均勻分散性，同時(shí)篩選出與UCNPs折射率匹配的高分子聚合材料。獲得了高摻雜比例(7-9%)的近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，在大多數(shù)可見(jiàn)光波譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出超過(guò)90%的透明度。這比國(guó)際上已報(bào)道的0.04-2%UCNPs摻雜的其他高分子聚合材料的納米復(fù)合物材料具有顯著性能提升。
 

　　研究人員進(jìn)一步驗(yàn)證了這種近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡(Upconversion Contact Lenses,UCLs)具有較好的力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性能、親水性和較高的生物相容性。佩戴UCLs的小鼠不僅獲得感知近紅外光的能力，還可以分辨不同時(shí)間頻率和不同方位的近紅外光信息。更重要的是，佩戴UCLs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。
 

　　在僅利用UCLs進(jìn)行近紅外空間信息識(shí)別時(shí)，由于紅外圖像信息被UCLs轉(zhuǎn)換為散射的可見(jiàn)光，導(dǎo)致人類志愿者僅能獲得粗糙的近紅外圖像辨別能力。為了克服這一困難，研究人員開(kāi)發(fā)了一種內(nèi)置UCLs的可穿戴式框架眼鏡系統(tǒng)(wearableeyeglass system)。通過(guò)優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)UCLs轉(zhuǎn)換后的近紅外空間信息進(jìn)行成像處理，使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)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜近紅外圖形的精確識(shí)別。
 

　　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。可見(jiàn)光中的色彩信息是由波長(zhǎng)決定的。與可見(jiàn)光相比，紅外光的波譜范圍更廣。為了感知在自然環(huán)境中廣泛存在的多光譜紅外光，研究人員使用三色正交UCNPs(trichromatic UCNPs)取代了傳統(tǒng)的UCNPs，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，同時(shí)避免了發(fā)射光譜波段的干擾問(wèn)題。通過(guò)佩戴由trichromatic UCNPs制備成的三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡(trichromatic upconversion contact lenses，tUCLs)，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。此外，通過(guò)色彩、時(shí)間、空間信息的結(jié)合，志愿者可以準(zhǔn)確識(shí)別出更豐富的近紅外光編碼的多維度信息。這表明具有抗干擾、正交和多光譜轉(zhuǎn)換特性的tUCLs可以有效地實(shí)現(xiàn)人類近紅外色彩圖像視覺(jué)(圖2)。
 

　　圖2.各種圖形(不同反射波譜的反射鏡片模擬)通過(guò)tUCLs內(nèi)置的可穿戴式框架眼鏡系統(tǒng)在可見(jiàn)光和近紅外光照射下的色彩顯示

 

　　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)需電源和復(fù)雜外部設(shè)備、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(圖3)。實(shí)現(xiàn)了多紅外光譜轉(zhuǎn)換的人類近紅外色彩視覺(jué)的概念驗(yàn)證。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。此外，通過(guò)非侵入方式靈活調(diào)節(jié)人體視覺(jué)波譜范圍，也有望為色盲等視覺(jué)疾病的治療提供新的解決方案。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)指出，這項(xiàng)技術(shù)是原理驗(yàn)證性工作， 仍有進(jìn)一步優(yōu)化空間，例如 目前的上轉(zhuǎn)換效率還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)。 這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要視覺(jué)生理學(xué)、材料科學(xué)與光學(xué)等多個(gè)學(xué)科進(jìn)一步緊密合作。
 

圖3. 上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡實(shí)現(xiàn)人類近紅外時(shí)空色彩視覺(jué)
 

　　中國(guó)科大生醫(yī)部和合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心的馬玉乾教授、博士生陳雨諾、工程科學(xué)學(xué)院王勝副教授、復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系博士生陳子晗以及韓綱研究組張?jiān)|博士為該論文的共同第一作者。中國(guó)科大薛天教授為首要通訊作者，馬玉乾教授、龔興龍教授、王勝副教授、韓綱教授、張凡教授為論文的共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)為本項(xiàng)工作的第一作者和最后通訊作者單位。該研究得到人類前沿科學(xué)項(xiàng)目及多個(gè)國(guó)際科研項(xiàng)目和基金的支持。同時(shí)也得到科技部、基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省科技廳等部門的項(xiàng)目基金支持，以及新基石研究員項(xiàng)目、科學(xué)探索獎(jiǎng)、峰基金等基金的資助。此外，該工作還得到中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院陳宇翱教授、殷旭飛博士的技術(shù)支持。