近日，中国科大工程科学学院龚兴龙/王胜团队，联合生命科学学院薛天/马玉乾团队、复旦大学化学系张凡团队，以及国际科研机构等，通过对柔性高分子材料的力-光学耦合性能合理设计，开发出了新型可穿戴隐形眼镜，实现人类近红外时空色彩图像视觉。该研究成果于2025年5月22日在线发表于国际学术期刊Cell上，被Cell press进行News release专题报道，同时也被中国新闻网、安徽日报和科学网等多家国内媒体报道。
自然界中存在包括可见光在内广泛波长范围的电磁波，然而能够被人类眼睛所感知的可见光只占电磁波谱很小的一部分，人眼所见光谱范围的局限是由视网膜感光细胞中的感光蛋白（Opsin）固有的物理化学特性所决定。感光波谱缺陷会带来色盲等视觉疾病，同时为了看到红外线，人类已研发出夜视仪等装备。然而，相关设备笨重、价格昂贵，远远不能广泛普及应用。因此，如何开发新型柔性可穿戴红外可视技术并进行实际临床实验是调节人眼感光波谱范围，甚至赋予人类近红外视觉能力的巨大挑战和前提。
由高分子聚合材料制备的柔性透明隐形眼镜被广泛应用于视力矫正，这为我们实现人类近红外视觉提供了一个可佩戴式的解决方案。然而，制备具有近红外光转换效应的隐形眼镜势必要在现有眼镜材料中引入上转换材料。但是，无机纳米颗粒在高分子聚合物中会导致其光学透明度显著下降，使得难以获得高颗粒含量和高透明度的近红外上转换隐形眼镜（Upconversion Contact Lenses，UCLs）。因此，解决高效上转换能力（高浓度上转换纳米颗粒掺杂）和良好光学性能（高透明度）是开发新型柔性透明隐形眼镜的前提。
为此，工程科学学院龚兴龙/王胜团队通过对现有多种高分子材料进行物理/化学分析，筛选适用于人体可穿戴的软材料，对上述材料进行必要的化学改性并进一步表征其剪切模量、拉伸强度和加-卸载稳定性等力学性能，建立起了柔性材料力学-组份耦合关系。在此基础上，合成出了具有不同光学性能的上转换纳米颗粒（Upconversion Nanoparticles, UCNPs）并进行表面剥离改性，实现了其表面亲-疏水性能定向调控从而提高了其分散性。光学实验结果表明开发出的上转换颗粒和高分子材料具有极高的光折射率匹配性，因此合成出了高掺杂含量（7-9%）的近红外光上转换隐形眼镜，其在大多数可见光波谱范围内表现出90%以上的透明度。这比国际上已报道的0.04-2% UCNPs掺杂量具有显著性能提升。此外，该团队也测试了这种近红外光上转换隐形眼镜的亲水性和生物相容性等，这些性能能够达到现有商业隐形眼镜的标准，因此符合人体穿戴。高转换颗粒含量和良好的光转换效率也为隐形眼镜实现近红外光-可见光转换和人眼可视提供了可能性。因此这些工作生物临床实验及其后续工程应用奠定了重要基础。
上转换隐形眼镜的力-光耦合性能及生物相容性表征结果
研究人员进一步发现佩戴UCLs的小鼠不仅获得感知近红外光的能力，还可以分辨不同时间频率和不同方位的近红外光信息。更重要的是，佩戴UCLs的人类志愿者不仅可以看到一定光强范围的近红外光，还可以准确识别近红外光的时间编码信息。
最后，为了感知在自然环境中广泛存在的多光谱红外光，合作团队使用三色正交UCNPs（trichromatic UCNPs）取代了传统的UCNPs，可以将三种不同光谱的近红外光转换成红、绿、蓝三基色的可见光，同时避免了发射光谱波段的干扰问题。通过佩戴三色上转换隐形眼镜（trichromatic upconversion contact lenses，tUCLs），志愿者可以有效地识别三种波长的近红外光，感知多种近红外色彩。此外，通过色彩、时间、空间信息的结合，志愿者可以准确识别出更丰富的近红外光编码的多维度信息。这表明具有抗干扰、正交和多光谱转换特性的tUCLs可以有效地实现人类近红外色彩图像视觉。
上转换隐形眼镜实现人类近红外时空色彩视觉
中国科大生医部和合肥微尺度物质科学国家研究中心的马玉乾教授、博士生陈雨诺、工程科学学院王胜副教授、复旦大学化学系博士生陈子晗以及韩纲研究组张原玮博士为该论文的共同第一作者。中国科大薛天教授为首要通讯作者，马玉乾教授、龚兴龙教授、王胜副教授、韩纲教授、张凡教授为论文的共同通讯作者。中国科学技术大学为本项工作的第一作者和最后通讯作者单位。该研究得到人类前沿科学项目及多个国际科研项目和基金的支持。同时也得到科技部、基金委、中国科学院、安徽省科技厅等部门的项目基金支持，以及新基石研究员项目、科学探索奖、峰基金等基金的资助。此外，该工作还得到中国科学技术大学物理学院陈宇翱教授、殷旭飞博士的技术支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
