超级隐形眼镜：闭眼依然能“看见”

来源：光明日报

从深海微光到烈日灼原，生命通过捕获光子来构建对世界的认知。然而，人类引以为傲的视觉系统，实际上也是一座“感官囚笼”。在浩瀚的电磁波谱里，我们能看见的“可见光”仅占极小的一部分，其波长局限在380纳米到700纳米之间。而在这道门槛之外，占据太阳辐射能量超过一半的近红外光（波长大于700纳米），对人类而言却是一片永恒的黑暗。想象一下，如果有一天，我们只需戴上一副特制的隐形眼镜，就能像科幻电影中的超级英雄一样感知到近红外信息，甚至看到从未见过的“红外色彩”，这将不只是感官的延伸，更是对人类认知边界的极大拓展。

人类被困在可见光里

要理解如何打破感官枷锁，首先必须审视人类这套堪称精密的视觉系统。视觉的形成是一场跨越物理、化学与生物电信号的接力赛。当外界光线穿过透明的角膜、晶状体，经过它们的折射，精准地投射在眼球后方的视网膜上时，这个行程才刚刚开始。视网膜这层薄薄神经组织如同一块高度复杂的生物芯片，它将物理世界的光影变幻翻译成大脑能理解的电信号。

在视网膜上分布着数以千万计的感光细胞——视杆细胞如同“暗夜侦察兵”，对极微弱的光线极其敏感，但无法分辨颜色；视锥细胞则是“色彩大师”，通过对红、绿、蓝三种波长的精准分工，描绘出斑斓的世界。而这些细胞之所以能感知光，核心在于其内部表达的感光蛋白。感光蛋白包裹着一个名为视黄醛的分子，它就像一个极其灵敏的微观开关。当一个可见光光子击中视黄醛时，这个分子会发生“光致异构化”——从扭曲的顺式结构瞬间变为笔直的全反式结构。这一微小的动作像推倒了第一张多米诺骨牌，触发了级联的生化反应并产生电流信号。最终，这些电脉冲沿着视神经汇入大脑皮层，拼凑成我们感受到的形状、深度与颜色。

然而，这套精密系统在近红外光面前却显得“力不从心”。这种局限性并非偶然，而是生物进化与物理规律共同博弈的结果。从能量角度看，光电转换的过程如同“投篮”：光子必须拥有足够的能量才能穿过势垒，激活感光蛋白。近红外光子的波长较长，能量偏低，它们击中感光蛋白时，就像一个力气太小的球员投出的球，无法达到篮筐的高度，自然无法得分，也就无法启动视觉的后续反应。

而其中最致命的限制来自热力学。生物体是有温度的，根据物理定律，任何有温度的物体都在向外辐射红外线。如果人类感官对这种低能量的红外光极其敏感，那么来自感光蛋白自身的热运动就会像背景杂音一样，源源不断地激活感光细胞。届时，我们的眼睛看到的将不再是清晰的世界，而是一片由自身热力学运动产生的、混沌的“光噪声”。这些热力学噪声会严重干扰真正的视觉信号。为了保证视觉信号的信噪比，进化最终选择了牺牲红外感知，以换取白昼视觉的极高分辨率和清晰度。人类就这样被困在可见光的“窄窗”里，错过了太阳光谱中那些蕴含丰富信息的波段。

给眼睛配一个纳米“翻译官”

既然不能改造眼睛内部的感光蛋白，科学家们构思了一种全新的方案：在光线进入眼睛的一刻，为它配一个“翻译官”，把它翻译成视网膜听得懂的语言。这个角色上转换纳米颗粒完美胜任。这是一种具有神奇特性的微小物质，它能像“能量蓄电池”一样，先后吸收两个或多个低能量的长波光子（近红外），通过内部能级的阶梯式跃迁，最终发射出一个高能量的短波光子（可见光）。这种变低为高的物理现象被称为“反斯托克斯位移发光”。在这套纳米体系中，科学家们精妙地构建了敏化剂与激活剂的协作网。敏化剂如同高效的“能量收集天线”，负责捕获环境中游离的近红外光。随后，它将能量以共振的形式传递给激活剂，由后者最终发出可见光。这种技术的迷人之处在于它是完全“无源”的，不需要笨重的电池或复杂的电子电路，仅依靠自然界的光能转化。它本质上是在眼表建立了一个微型的“变频站”，捕获红外线，并转化为视网膜可以捕捉的可见光。

有了理想的“翻译官”，接下来的挑战是如何将其无缝地集成到日常生活中。科学家们将目光投向了全球超过1.5亿人佩戴的工具——隐形眼镜。然而，将纳米颗粒嵌入隐形眼镜并非易事。隐形眼镜的核心材料通常是亲水的水凝胶，而上转换纳米颗粒本质上是无机盐晶体。当两者混合时，首要难题便是“散射”。由于纳米颗粒与水凝胶材料的折射率不匹配，光线穿过时会产生剧烈的散射，导致镜片变得模糊浑浊，如同磨砂玻璃。如果佩戴者看不清原本的可见光世界，那么这种技术的实用性将大打折扣。为了攻克这一难题，中国科学技术大学的研究团队制定了精密的折射率匹配策略。通过对多种高分子配方的筛选与微调，最终锁定了一款特定的高分子基底材料，基底材料的折射率与纳米颗粒几乎一致。

同时，研究团队还对纳米颗粒进行了表面化学改性——原始的颗粒表面覆盖着一层疏水的油酸配体，在水凝胶中极易聚集成团。通过配体交换技术，研究人员去除了油酸，让颗粒能够均匀地分布在聚合物网络中。最终制备成上转换隐形眼镜，在常规光线下保持着超过90%的透明度，佩戴舒适度与普通商业镜片无异。它在保证原有可见光视觉清晰度的基础上，成功地在眼表叠加了一层红外转化的功能层。

在一片漆黑中“看见”图像

在完成了隐形眼镜的合成与光学优化后，科学家们首先在实验室小鼠身上开启了生理验证。为了验证隐形眼镜的效果，研究人员将这些特制的、轻薄的上转换隐形眼镜小心地贴敷在小鼠的眼球表面，确认它不会对小鼠眼球造成损伤之后开始进行小鼠的近红外视觉探索：

当实验室进入完全的“红外模式”——可见光熄灭，仅开启肉眼不可见的近红外光时，奇迹发生了。通过视网膜电图检测发现，原本如一条直线的电生理曲线出现明显的红外光激发的信号。这些特征性的波形清晰地表明，视网膜上的感光细胞已经接收到了由隐形眼镜转化而来的可见光信号，并成功将其转化为了神经电冲动。

随后进行的瞳孔对光反射实验则提供了更直观的证据。在近红外光的照射下，佩戴了上转换隐形眼镜的小鼠瞳孔发生了明显的、可重复的收缩反应。这证明红外信号已经进入了中枢神经系统并触发了生理反应。在行为学检测中，佩戴隐形眼镜的小鼠表现出了对红外光源的主动避让或追踪能力，而对照组小鼠则在黑暗中茫然无措。这些实验有力地证明：无需进行任何眼内手术，仅凭眼表的一层薄膜，生命就能跨越进化的鸿沟，直接感应到另一个光谱维度的存在。

小鼠的成功为人类实验铺平了道路。当人类受试者第一次戴上这种隐形眼镜看向红外世界时，面临的挑战是如何从“看到光”进化到“看清图像”。最初，由于隐形眼镜产生的转化光是向四周散射的，受试者只能感受到一片模糊的绿色光晕。为了实现精准成像，研究团队构建了一套辅助的光学成像框架。这套系统利用精密的透镜组对隐形眼镜发出的微光进行二次聚焦，确保红外波段的空间信息能够精准地投射在视网膜的中心凹区域。通过这种光学优化，人类受试者在近红外光下实现了惊人的空间分辨率。他们不仅能辨认出环境中的障碍物，还能读取通过红外激光投影出的、尺寸极小的字母和数字。

除了空间精度，红外视觉还展现出了极高的“时间灵敏度”。由于上转换过程几乎是瞬时的，受试者可以识别出特定频率闪烁的红外编码信息。这意味着一种全新的、极其隐秘的视觉信道已经开启——在旁人看来是一片漆黑或毫无变化的背景中，佩戴者却能通过红外频闪实时接收复杂的指令或数据流。这种对时空信息的双重掌控，标志着红外视觉从原始的光感正式迈向了高级的图像认知阶段。

除此之外，当人类受试者佩戴上这种隐形眼镜后，红外视觉展现出了许多超越传统感官的奇妙特性。其中最引人注目的，便是利用近红外线的强穿透性实现的“闭眼感知”。在物理学上，波长越长，越不容易被物质散射。相比于容易被遮挡的可见光，近红外线能够轻易地穿过一些在视觉上看起来“不透明”的物体，比如烟雾、浓尘，甚至是生物组织。在实验中，受试者发现，即便闭上双眼，由于近红外光能够像幽灵一样穿透眼睑皮肤，贴附在眼表的隐形眼镜依然能捕捉到这些红外光子并将其转化为可见光。这意味着，人类第一次在“闭眼”的状态下，依然能感知到外界的光影流动和信息变化。这种奇妙的体验彻底打破了传统视觉对“睁眼”这一动作的依赖，揭示了红外视觉在特殊环境下（如浓烟、大雾或闭眼休息时）的独特应用潜力。

未来人类或将能获得夜视能力

如果说看见红外图像是视觉的“质变”，那么看见红外色彩就是视觉的“升维”。在自然界中，不同物体反射的红外光谱其实和可见光一样丰富。受人类视网膜“红绿蓝”三色原理的启发，研究者提出了一种前瞻性的创新构想：在红外波段重建一套“三原色”系统。此时研究人员并未简单地将三种不同的纳米颗粒混合，而是独立合成了一种极其精密的单核多壳结构上转换纳米颗粒。

这种纳米颗粒就像一个多层的“能量旅馆”，通过在单一颗粒内部构建多个功能壳层，将不同的能量转换过程在空间上隔绝开来。这种结构最大的优势在于其转换过程具有高度的“正交性”。具体而言，这种单核多壳颗粒可以分别将三种不同波长的近红外光（如808nm、980nm和1532nm）独立转换为绿色、蓝色和红色的可见光，且彼此之间几乎不发生串扰。这种正交性远优于简单的物理混合，它不仅极大提高了转换效率，还确保了色彩的纯净度。

这就好比在红外世界里重建了一套精准的“RGB三原色”系统。通过这种创新的色彩转换，人类可以用肉眼区分出原本看起来完全一样的红外光源，实现多种近红外光向可见光的色彩转换和混合。这不仅让受试者获得了对红外空间极其丰富的色彩感知，更意味着我们可以通过颜色差异来区分不同成分的物质，实现真正意义上的多光谱认知。这一突破，将人类视觉的频谱范围在无需电子辅助的情况下，以前所未有的深度和精度进行了扩展。

人类认识世界的边界，很大程度上取决于我们感官的边界。从最初对光亮的本能反应，到如今能够跨越光谱感知到色彩斑斓的红外世界，每一次进步都代表着科学对自然界深层密码的破译。

虽然该技术还无法让人类在夜晚自然光下获得基于红外视觉的夜视能力，上转换纳米材料的灵敏度和转换效率还存在一些瓶颈。但是，这已指向一条全新的道路——无需依赖笨重的光电设备，仅凭一片轻薄的眼表器件，就有望改写生物感知的光谱边界。感官的极限从来不是终点，而是科学探索的起点，未来，人类有希望实现对近红外光世界从“不可见”到“可见”的跨越。

（作者：陈雨诺、马玉乾、薛天，分别系中国科学技术大学博士后；中国科学技术大学教授；中国科学技术大学讲席教授、视觉健康全国重点实验室副主任）