摘要：最近，中国科学家最新研发出一种神奇的隐形眼镜，首次让人类实现了近红外视觉。这一突破，源于六年前在小鼠身上验证的理论，如今首次成功应用在人类身上，成为“扩展人体感官边界”的关键一步。
最近，中国科学家最新研发出一种神奇的隐形眼镜，首次让人类实现了近红外视觉。这一突破，源于六年前在小鼠身上验证的理论，如今首次成功应用在人类身上，成为“扩展人体感官边界”的关键一步。
清楚的夜间视力是许多人向往的“超能力”。人眼能看到的可见光波长只占光谱的一小部分，波长区间仅为400-700纳米（nm）。而在这一范围之外，许多物体，如电子设备的遥控信号、安防监控的红外光源，甚至温血动物都会发射或反射红外光，但这些信息对人眼完全不可见。如果能够突破这一限制，扩展人眼可见的波长范围，我们就能获得更丰富的环境信息，比如在烟雾中穿透视野、甚至直接“看到”热源或特定信号。
2025年5月22日，中国科学技术大学薛天教授团队在《细胞》（Cell）杂志发表文章[1]，宣布他们与合作者就研发了一种新型隐形眼镜，首次在人体中实现了无需电源、可穿戴的近红外视觉系统。
这项突破性进展意味着：过去仅在小鼠实验中验证的理论，终于被成功拓展至人类，标志着人类感光能力人工扩展的一个重要里程碑。
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从小鼠到人类的验证
2019年，薛天团队将上转换纳米颗粒（（upconversion nanoparticles, UCNPs）注射到小鼠视网膜中，使小鼠获得了近红外视觉[2]。这些颗粒使用稀土元素制备，能够吸收低能量的光子，经过物理过程将其转换为高能量的光子。通过选择合适的材料，就能将波长在980nm左右的近红外光转换为波长535nm左右的可见光。
如今，为了避免操作的侵入性，以方便推广应用，研究团队尝试改用更温和、可佩戴的方式，将上转换纳米颗粒融合到隐形眼镜中。
这一新材料的挑战，在于如何在加入一定比例纳米材料的同时，使隐形眼镜保持良好的光学性能。薛天告诉《赛先生》，纳米材料掺杂太少，则转换效率不够，难以获得理想的近红外视觉；而当纳米材料掺杂超过1%，隐形眼镜的透光度会显著下降。
这其中的主要原因，在于纳米材料与隐形眼镜材料折射率的不匹配。薛天介绍，通过从商用隐形眼镜材料中筛选折射率匹配的材料，研究团队可以实现上转换纳米颗粒7%以上的高比例掺杂，达到较高的转换效率，同时保持良好的透明度。
为检验这种新型隐形眼镜的效果，研究团队首先在小鼠身上开展了实验。戴隐形眼镜的小鼠表现出的行为表明，它们确实看到了近红外波长。例如，让小鼠在暗箱和近红外照明箱中进行选择时，戴隐形眼镜的小鼠表现出躲避光线的习性，选择了暗箱，而不戴隐形眼镜的小鼠则没有表现出偏好。生理信号检测也表明，戴上隐形眼镜的小鼠确实产生了近红外视觉——它们在红外光照射下瞳孔收缩，脑成像显示此时它们的初级视皮层被激活。
小鼠实验还显示，与普通的商用隐形眼镜相比，添加上转换纳米颗粒的隐形眼镜不会对眼睛造成额外的伤害。
而在人体中的功能性测试实验显示，人类受试者戴上镜片后，不仅能看到一定光强范围的近红外光，还可以分辨不同频率闪烁的近红外信号。
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近红外光的视觉编码
借助这样的隐形眼镜，使用者还能辨认出信号的方位，但是无法很好地识别出图像的细节。这是因为在将近红外光转换为可见光的过程中，光线经过吸收和再发射，然后立即进入人眼，方向信息发生了损失。
为了让人类进一步区分不同波段的近红外信息，研究团队对纳米粒子进行工程设计，研发了三色正交上转换纳米颗粒，可以将近红外光转换为三段不同的可见光谱，对应红、绿、蓝三原色。例如，波长为980 纳米的近红外线被转换成蓝光，波长为 808 纳米的近红外线被转换成绿光，波长为 1532 纳米的近红外线被转换成红光。
这样的转换原理与我们用红外探测器、夜视仪进行观测并不相同。这类仪器借助传感器识别红外光，然后依据系统设置，通过光电倍增技术将弱光信号放大到可检测的范围。然后人为通过系统设置将图像加上伪彩色，呈现出人眼能够识别的图像，称为伪彩色图像。而上转换纳米材料无需借助外部电源，就能够将远红外转变为可见光，使用起来更加便捷，使用场景也随之扩展。
例如，在有烟雾、粉尘的环境，近红外光的穿透性要比可见光更强，所以这项技术有望应用于特殊环境的作业。对这类纳米粒子进行改良，调整它们的激发波谱，可以帮助色盲人士看到他们无法直接感知的光波长范围。
“近红外光占据环境中光照辐射能量的约45%，能够看到近红外光能够给我们提供周围世界丰富的信息。例如，不同颜色的物体反映着其不同的反射波谱信息，也表明其不同物质属性；就像西红柿由绿变红，颜色发生了改变，我们知道它熟了。那么物体红外波段的反射波谱就会携带更丰富的物性信息，比如不同矿物有不同的近红外反射光谱。我们刚刚还在同地质专家讨论，也许可以用类似技术做便携的红外波段物性识别和检测。”薛天讲。
另外，为了改善视觉效果，研究团队采用了框架眼镜设计，将三片凸透镜和一片添加上转换纳米颗粒的平面材料相叠加。这样的结构能够实现更高的图像空间分辨率，帮助使用者识别出横向、纵向和曲线等细节的近红外图像，看见以近红外信号显示的“USTC”（中国科学技术大学英文名首字母缩写）字样。
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科幻走进现实
薛天自己和实验室的一些学生都尝试了佩戴这一隐形眼镜。“其实把近红外光经过转换之后，你看到的就是可见光了。不戴眼镜的时候（暗室里）什么都看不到，但是戴上它之后，它就根据波长，把信号转换成对应颜色的可见光。”薛天介绍说。
他补充道，在普通的自然光环境下，转换之后的画面会直接叠加在背景之上；如果环境昏暗或闭上眼，近红外信号就能看得更清晰，这是因为近红外光可以穿透眼睑，避免了可见光干扰。这就好像当我们把手掌盖在手电筒上，能透出来的只有红光一样。
看见别人肉眼看不见的东西听起来像是科幻中的设定，但科学家的努力正在将这样的幻想转变为现实。但薛天强调，这项技术目前还无法实现许多人向往的“夜间视物”，需要借助近红外光源发出信号或照射物体，使用者才能看见。而人类和其他温血动物发出的热辐射属于远红外辐射，波长要比近红外更长，目前的技术还无法将其转换为可见光。
“我们只是实现了用可佩戴式设备扩展人体感光光谱的理论验证，比2019年的工作往前走了一步，但离直接在夜间看到物体发出的热辐射还有相当的距离，”薛天说。
来源：东窗史谈一点号
