Исследовательская группа под руководством профессора Сюэ Тяня и профессора Ма Юйцяня из Китайского университета науки и технологий (USTC) в сотрудничестве с несколькими исследовательскими группами успешно реализовала пространственно-временное цветовое зрение человека в ближнем инфракрасном (БИК) диапазоне с помощью контактных линз с преобразованием вверх (UCL). Исследование было опубликовано онлайн в журнале Cell 22 мая 2025 года (EST) и представлено в пресс-релизе.Cell Press.
В природе электромагнитные волны охватывают широкий диапазон длин волн, но человеческий глаз может воспринимать только узкую часть, известную как видимый свет, что делает ближний инфракрасный свет за пределами красной части спектра невидимым для нас.
Рис. 1. Электромагнитные волны и спектр видимого света (изображение предоставлено группой профессора Сюэ)
В 2019 году группа под руководством профессоров Сюэ Тяня, Ма Юйцяня и Ханя Гана совершила прорыв, введя в сетчатку животных наноматериалы, преобразующие излучение с повышением частоты, что позволило впервые млекопитающим получить изображение в ближнем инфракрасном диапазоне невооруженным глазом. Однако, ввиду ограниченных возможностей интравитреальных инъекций для человека, ключевой задачей этой технологии является обеспечение возможности неинвазивного восприятия ближнего инфракрасного света человеком.
Мягкие прозрачные контактные линзы из полимерных композитов представляют собой удобное решение, но разработка UCL сталкивается с двумя основными проблемами: достижением эффективной апконверсии, что требует легирования наночастицами с высокой апконверсией (UCNP), и сохранением высокой прозрачности. Однако включение наночастиц в полимеры изменяет их оптические свойства, что затрудняет достижение баланса между высокой концентрацией и оптической прозрачностью.
Путем модификации поверхности UCNP и скрининга полимерных материалов с подобранным показателем преломления исследователи разработали UCL, обеспечивающие 7–9% интеграцию UCNP при сохранении более 90% прозрачности в видимом спектре. Более того, UCL продемонстрировали удовлетворительные оптические характеристики, гидрофильность и биосовместимость. Экспериментальные результаты показали, что как мышиные модели, так и носители линз способны не только обнаруживать ближний инфракрасный свет, но и различать его временные частоты.
Ещё более впечатляющим стало то, что исследовательская группа разработала систему носимых очков, интегрированную с UCL и оптимизированную систему оптической визуализации, чтобы преодолеть ограничение, заключающееся в том, что обычные UCL обеспечивают пользователям лишь грубое восприятие изображений в ближнем инфракрасном диапазоне. Это достижение позволяет пользователям воспринимать изображения в ближнем инфракрасном диапазоне с пространственным разрешением, сопоставимым с разрешением в видимом свете, что позволяет более точно распознавать сложные паттерны в ближнем инфракрасном диапазоне.
Чтобы лучше справиться с широким распространением многоспектрального ближнего инфракрасного излучения в естественной среде, исследователи заменили традиционные UCNP на трихроматические UCNP, разработав трихроматические контактные линзы с повышением частоты (tUCL), которые позволили пользователям различать три отдельные длины волн ближнего инфракрасного излучения и воспринимать более широкий цветовой спектр ближнего инфракрасного излучения. Благодаря интеграции цветовой, временной и пространственной информации, tUCL обеспечили точное распознавание многомерных данных, закодированных в ближнем инфракрасном диапазоне, обеспечивая улучшенную спектральную селективность и помехоустойчивость.
Рис. 2. Цветовой вид различных узоров (имитация отражающих зеркал с различными спектрами отражения) при освещении в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, наблюдаемый через систему носимых очков, интегрированную с tUCL. (Изображение предоставлено группой профессора Сюэ)
Рис. 3. UCL позволяют человеку воспринимать ближний инфракрасный свет во временном, пространственном и хроматическом измерениях. (Изображение предоставлено группой профессора Сюэ)
Это исследование, продемонстрировавшее носимое решение для зрения в ближнем инфракрасном диапазоне у людей с помощью UCL, предоставило доказательство концепции цветного зрения в ближнем инфракрасном диапазоне и открыло перспективные возможности применения в области безопасности, борьбы с подделками и лечения нарушений цветового зрения.
Ссылка на статью:https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
(Написано Сюй Ехонгом, ШЭНЬ Синьи, под редакцией Чжао Чжэцяня)
Время публикации: 07 июня 2025 г.