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为解决人类无法裸眼感知红外光的局限，中科大等机构研究人员开发上转换隐形眼镜（UCLs）及三色彩色隐形眼镜（tUCLs）。通过动物及人体实验证实，该技术可实现近红外（NIR）光时空及彩色信息识别，为非侵入式红外视觉开辟新路径。
人类对光的感知局限于 400–700 nm 的可见光范围，而占太阳辐射一半以上的红外光（>700 nm）因感光蛋白的物理热力学特性无法被哺乳动物察觉。传统红外探测工具如夜视镜需额外能源、结构复杂且难以区分多光谱信息，眼部注射纳米颗粒的方法又具有侵入性，因此开发非侵入式裸眼红外视觉技术成为科学界的重要目标。
中国科学技术大学（USTC）联合复旦大学、美国马萨诸塞大学等机构的研究团队，针对这一挑战展开研究。他们将上转换纳米颗粒（UCNPs）嵌入高分子材料，开发出具有高透明度、生物相容性的软质可穿戴隐形眼镜 —— 上转换隐形眼镜（UCLs）及三色彩色隐形眼镜（tUCLs），首次实现了人类对近红外光的时空及彩色信息感知。该研究成果发表在国际顶级期刊《Cell》上，为拓展人类视觉范围提供了突破性解决方案。
研究中采用的关键技术包括：
- 材料筛选与纳米颗粒修饰：通过折射率匹配原理筛选聚合物，去除 UCNPs 表面疏水性油酸配体，获得亲水性 UCNPs，并将其均匀分散于聚甲基丙烯酸羟乙酯（pHEMA）等材料中，制备出 UCNPs 浓度高达 7% 且可见光透过率超 85% 的 UCLs。
- 动物与人体功能验证：利用小鼠电生理记录（ERG、VEP）、行为学实验（明暗箱、条件性位置回避）及人体视觉敏感度测试，验证 UCLs 对近红外光的感知能力。
- 三色彩色视觉构建：合成三色彩色正交 UCNPs，其可将 808 nm、980 nm、1532 nm 近红外光分别转换为蓝、绿、红三原色可见光，结合色彩匹配实验实现近红外彩色视觉。
研究结果
1. UCLs 的光学与生物相容性特性
通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）等表征发现，UCLs 中 UCNPs 粒径约 45 nm，均匀分散且保持高发光效率。流变学测试显示其机械性能与商用隐形眼镜相当，长期佩戴实验证实 UCLs 对角膜和视网膜无明显毒性，炎症反应轻微，生物相容性优异。
2. 小鼠近红外视觉能力验证
- 光感知与行为决策：佩戴 UCLs 的小鼠在近红外光刺激下可产生瞳孔收缩反射，在明暗箱实验中偏好黑暗环境，并能通过条件性恐惧实验建立近红外光与电击的关联，显示其具备近红外光引发的潜意识与意识行为响应能力。
- 时空信息识别：视觉诱发电位（VEP）和脑皮层内源性光学成像表明，小鼠视觉皮层可对近红外光栅刺激产生分区响应，且能区分不同频率（2 Hz vs 0.4 Hz）的闪烁光，证明其可感知近红外光的空间分布与时间编码信息。
3. 人类近红外视觉与彩色感知
- 基础感知能力：人类佩戴 UCLs 后，在黑暗及环境光（100–300 lux）下均可感知近红外光，闭眼时近红外光敏感度不变（可见光敏感度下降超 200 倍），揭示近红外光穿透眼睑的特性。时空信息识别实验显示，结合可穿戴眼镜系统，人类可分辨近红外光栅（空间分辨率约 65 周期 / 度）及简单图案（如 S/O 形状、三角形 / 正方形）。
- 彩色视觉实现：通过三色彩色 UCLs（tUCLs），人类可将近红外光的多光谱信息转换为可见三原色，成功匹配 400–700 nm 单色光的色度坐标，构建近红外彩色空间。实验证实，参与者可区分近红外光的红（1532 nm）、绿（808 nm）、蓝（980 nm）三原色及混合色，并通过颜色 - 时间编码解读 63 种句子，实现复杂信息传递。
4. 近红外反射图像识别
利用不同反射光谱的镜面模拟真实场景，发现 tUCLs 系统可识别近红外光下物体的 “颜色” 差异，部分在可见光下呈单一颜色的物体在近红外光下展现丰富色彩，证明该技术在生物成像、隐蔽通信等领域的应用潜力。
研究结论与意义
本研究通过可穿戴纳米生物材料，首次实现人类对近红外光的非侵入式时空及彩色感知，突破了传统视觉范围的物理限制。UCLs 技术无需复杂外部设备，兼具高生物相容性与光学效率，为红外信息编码、低能见度环境导航、智能救援等场景提供了创新解决方案。未来通过优化 UCNPs 发光方向性或嵌入微光纤导光结构，有望进一步提升近红外图像分辨率。该研究不仅拓展了人类对光的感知维度，更开启了 “超视觉” 技术在医学、通信、安防等领域的广泛应用前景。
