科幻派紅外光轉換隱形眼鏡，閉上眼瞼也能感應紅外光
人眼一般看不見紅外波長光，但最近科學家結合視覺神經科學、高分子材料與奈米融合技術研發出「近紅外光上轉換隱形眼鏡」，無需任何笨重設備或電池，只要戴上這副隱眼就能感知環境紅外光。
自然界存在各種波長範圍電磁波，但人眼受視網膜感光細胞內的感光蛋白（Opsin） 固有物理化學特性侷限，能感知的可見光只占電磁波譜很小一部分。
為了「看見」原本不可見的紅外光，人類研發出夜視鏡、熱成像紅外儀等裝備，傳統夜視鏡原理為先將環境微弱光線變成電子，透過電子影像增強過程大幅增加電子數量，接著再將電子引導撞擊發光螢幕產生相對明亮的影像，使觀察者在黑暗環境也能看清物體輪廓和細節，但這些設備仰賴強大電源，因此相對笨重。
2019 年，中國科學技術大學生命科學與醫學部、合肥微尺度物質科學國家研究中心薛天/馬玉幹團隊曾於《Cell》期刊發表論文，利用一種將紅外光轉換為可見光的奈米材料，經特殊修飾後注射到動物視網膜，首次實現哺乳動物的裸眼近紅外線圖像視覺能力。
然而眼內注射方式的人體應用受限，如何以非侵入性方式相對自由地調節人眼感光波譜範圍，甚至賦予人類近紅外線視覺能力，就成為這項技術在人體實際應用的挑戰。
視覺生理結合奈米材料技術
回想過去，以高分子聚合物製備的軟性透明隱形眼鏡已廣泛應用於視力矯正，這為團隊的近紅外線視覺技術提供新靈感，決定嘗試結合奈米粒子與用於軟性隱形眼鏡的聚合物。
製造適合人類視覺的近紅外光上轉換隱形眼鏡（Upconversion Contact Lenses，UCLs），需解決高效上轉換能力（高濃度上轉換奈米粒子摻雜）與光學性能（高透明度）問題，但奈米粒子在高分子聚合材料內的融合會改變其光學性質，結果難以獲得高濃度、高透明度奈米複合物材料。
為此，薛天/馬玉幹團隊研究團隊對「上轉換奈米粒子」（Upconversion Nanoparticles，UCNPs）進行表面修飾，提高其在高分子聚合材料均勻分散性，同時篩選出與 UCNPs 折射率匹配的高分子聚合材料，最終開發出高摻雜比例（7～9%）的近紅外光上轉換隱形眼鏡，於多數可見光波譜範圍內表現出超過 90% 透明度，性能比國際已通報 0.04～2% UCNPs 摻雜其他高分子聚合材料的複合材料更明顯提升。
▲ 上轉換隱形眼鏡實現人類近紅外線色彩視覺。（Source：中國科學技術大學）
研究人員進一步驗證新的近紅外光上轉換隱形眼鏡具良好力學性質、光學性能、親水性、較高生物相容性，配戴 UCLs 的小鼠不僅獲得感知近紅外光能力，還能分辨不同時間頻率與不同方位的近紅外光資訊。
而佩戴 UCLs 的人類受試者不僅可看到一定光強度範圍的近紅外光（像摩斯密碼般閃爍），還可以準確識別近紅外光傳入方向；此外，由於近紅外光能有效穿透眼瞼，研究團隊發現當受試者閉上眼睛甚至更容易接收到閃光。
新技術聽起來令人無比興奮，不過需注意的是隱形眼鏡與視網膜距離非常近，轉換後的光子往往會散射，因此受試者其實無法詳細辨識環境細節，目前透過這副隱形眼鏡只能看到來自 LED 的紅外光。
整體而言，這項研究實現無需電源、複雜外部設備的可穿戴人類紅外線影像視覺的能力，未來於醫療、資訊處理、視覺輔助科技領域具廣泛應用前景。
對隱形眼鏡進行奈米粒子修改工程以區分不同紅外光譜，比如將 980 nm 紅外波長轉換為藍光，808 nm 波長轉換為綠光等，除了能使佩戴者在紅外光譜感知更多細節，也可以幫助色盲患者轉換原本無法檢測的波長，有望改進色盲等視覺疾病治療方法。
新論文發表在《Cell》期刊。
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（首圖來源：pixabay）