從深海微光到烈日灼原，生命通過捕獲光子來構建對世界的認知。然而，人類引以為傲的視覺系統，實際上也是一座“感官囚籠”。在浩瀚的電磁波譜裡，我們能看見的“可見光”僅佔極小的一部分，其波長局限在380納米到700納米之間。而在這道門檻之外，佔據太陽輻射能量超過一半的近紅外光（波長大於700納米），對人類而言卻是一片永恆的黑暗。想象一下，如果有一天，我們隻需戴上一副特制的隱形眼鏡，就能像科幻電影中的超級英雄一樣感知到近紅外信息，甚至看到從未見過的“紅外色彩”，這將不只是感官的延伸，更是對人類認知邊界的極大拓展。

人類被困在可見光裡

要理解如何打破感官枷鎖，首先必須審視人類這套堪稱精密的視覺系統。視覺的形成是一場跨越物理、化學與生物電信號的接力賽。當外界光線穿過透明的角膜、晶狀體，經過它們的折射，精准地投射在眼球后方的視網膜上時，這個行程才剛剛開始。視網膜這層薄薄神經組織如同一塊高度復雜的生物芯片，它將物理世界的光影變幻翻譯成大腦能理解的電信號。

在視網膜上分布著數以千萬計的感光細胞——視杆細胞如同“暗夜偵察兵”，對極微弱的光線極其敏感，但無法分辨顏色﹔視錐細胞則是“色彩大師”，通過對紅、綠、藍三種波長的精准分工，描繪出斑斕的世界。而這些細胞之所以能感知光，核心在於其內部表達的感光蛋白。感光蛋白包裹著一個名為視黃醛的分子，它就像一個極其靈敏的微觀開關。當一個可見光光子擊中視黃醛時，這個分子會發生“光致異構化”——從扭曲的順式結構瞬間變為筆直的全反式結構。這一微小的動作像推倒了第一張多米諾骨牌，觸發了級聯的生化反應並產生電流信號。最終，這些電脈沖沿著視神經匯入大腦皮層，拼湊成我們感受到的形狀、深度與顏色。

然而，這套精密系統在近紅外光面前卻顯得“力不從心”。這種局限性並非偶然，而是生物進化與物理規律共同博弈的結果。從能量角度看，光電轉換的過程如同“投籃”：光子必須擁有足夠的能量才能穿過勢壘，激活感光蛋白。近紅外光子的波長較長，能量偏低，它們擊中感光蛋白時，就像一個力氣太小的球員投出的球，無法達到籃筐的高度，自然無法得分，也就無法啟動視覺的后續反應。

而其中最致命的限制來自熱力學。生物體是有溫度的，根據物理定律，任何有溫度的物體都在向外輻射紅外線。如果人類感官對這種低能量的紅外光極其敏感，那麼來自感光蛋白自身的熱運動就會像背景雜音一樣，源源不斷地激活感光細胞。屆時，我們的眼睛看到的將不再是清晰的世界，而是一片由自身熱力學運動產生的、混沌的“光噪聲”。這些熱力學噪聲會嚴重干擾真正的視覺信號。為了保証視覺信號的信噪比，進化最終選擇了犧牲紅外感知，以換取白晝視覺的極高分辨率和清晰度。人類就這樣被困在可見光的“窄窗”裡，錯過了太陽光譜中那些蘊含豐富信息的波段。

給眼睛配一個納米“翻譯官”

既然不能改造眼睛內部的感光蛋白，科學家們構思了一種全新的方案：在光線進入眼睛的一刻，為它配一個“翻譯官”，把它翻譯成視網膜聽得懂的語言。這個角色上轉換納米顆粒完美勝任。這是一種具有神奇特性的微小物質，它能像“能量蓄電池”一樣，先后吸收兩個或多個低能量的長波光子（近紅外），通過內部能級的階梯式躍遷，最終發射出一個高能量的短波光子（可見光）。這種變低為高的物理現象被稱為“反斯托克斯位移發光”。在這套納米體系中，科學家們精妙地構建了敏化劑與激活劑的協作網。敏化劑如同高效的“能量收集天線”，負責捕獲環境中游離的近紅外光。隨后，它將能量以共振的形式傳遞給激活劑，由后者最終發出可見光。這種技術的迷人之處在於它是完全“無源”的，不需要笨重的電池或復雜的電子電路，僅依靠自然界的光能轉化。它本質上是在眼表建立了一個微型的“變頻站”，捕獲紅外線，並轉化為視網膜可以捕捉的可見光。

有了理想的“翻譯官”，接下來的挑戰是如何將其無縫地集成到日常生活中。科學家們將目光投向了全球超過1.5億人佩戴的工具——隱形眼鏡。然而，將納米顆粒嵌入隱形眼鏡並非易事。隱形眼鏡的核心材料通常是親水的水凝膠，而上轉換納米顆粒本質上是無機鹽晶體。當兩者混合時，首要難題便是“散射”。由於納米顆粒與水凝膠材料的折射率不匹配，光線穿過時會產生劇烈的散射，導致鏡片變得模糊渾濁，如同磨砂玻璃。如果佩戴者看不清原本的可見光世界，那麼這種技術的實用性將大打折扣。為了攻克這一難題，中國科學技術大學的研究團隊制定了精密的折射率匹配策略。通過對多種高分子配方的篩選與微調，最終鎖定了一款特定的高分子基底材料，基底材料的折射率與納米顆粒幾乎一致。

同時，研究團隊還對納米顆粒進行了表面化學改性——原始的顆粒表面覆蓋著一層疏水的油酸配體，在水凝膠中極易聚集成團。通過配體交換技術，研究人員去除了油酸，讓顆粒能夠均勻地分布在聚合物網絡中。最終制備成上轉換隱形眼鏡，在常規光線下保持著超過90%的透明度，佩戴舒適度與普通商業鏡片無異。它在保証原有可見光視覺清晰度的基礎上，成功地在眼表疊加了一層紅外轉化的功能層。

在一片漆黑中“看見”圖像

在完成了隱形眼鏡的合成與光學優化后，科學家們首先在實驗室小鼠身上開啟了生理驗証。為了驗証隱形眼鏡的效果，研究人員將這些特制的、輕薄的上轉換隱形眼鏡小心地貼敷在小鼠的眼球表面，確認它不會對小鼠眼球造成損傷之后開始進行小鼠的近紅外視覺探索：

當實驗室進入完全的“紅外模式”——可見光熄滅，僅開啟肉眼不可見的近紅外光時，奇跡發生了。通過視網膜電圖檢測發現，原本如一條直線的電生理曲線出現明顯的紅外光激發的信號。這些特征性的波形清晰地表明，視網膜上的感光細胞已經接收到了由隱形眼鏡轉化而來的可見光信號，並成功將其轉化為了神經電沖動。

隨后進行的瞳孔對光反射實驗則提供了更直觀的証據。在近紅外光的照射下，佩戴了上轉換隱形眼鏡的小鼠瞳孔發生了明顯的、可重復的收縮反應。這証明紅外信號已經進入了中樞神經系統並觸發了生理反應。在行為學檢測中，佩戴隱形眼鏡的小鼠表現出了對紅外光源的主動避讓或追蹤能力，而對照組小鼠則在黑暗中茫然無措。這些實驗有力地証明：無需進行任何眼內手術，僅憑眼表的一層薄膜，生命就能跨越進化的鴻溝，直接感應到另一個光譜維度的存在。

小鼠的成功為人類實驗鋪平了道路。當人類受試者第一次戴上這種隱形眼鏡看向紅外世界時，面臨的挑戰是如何從“看到光”進化到“看清圖像”。最初，由於隱形眼鏡產生的轉化光是向四周散射的，受試者只能感受到一片模糊的綠色光暈。為了實現精准成像，研究團隊構建了一套輔助的光學成像框架。這套系統利用精密的透鏡組對隱形眼鏡發出的微光進行二次聚焦，確保紅外波段的空間信息能夠精准地投射在視網膜的中心凹區域。通過這種光學優化，人類受試者在近紅外光下實現了驚人的空間分辨率。他們不僅能辨認出環境中的障礙物，還能讀取通過紅外激光投影出的、尺寸極小的字母和數字。

除了空間精度，紅外視覺還展現出了極高的“時間靈敏度”。由於上轉換過程幾乎是瞬時的，受試者可以識別出特定頻率閃爍的紅外編碼信息。這意味著一種全新的、極其隱秘的視覺信道已經開啟——在旁人看來是一片漆黑或毫無變化的背景中，佩戴者卻能通過紅外頻閃實時接收復雜的指令或數據流。這種對時空信息的雙重掌控，標志著紅外視覺從原始的光感正式邁向了高級的圖像認知階段。

除此之外，當人類受試者佩戴上這種隱形眼鏡后，紅外視覺展現出了許多超越傳統感官的奇妙特性。其中最引人注目的，便是利用近紅外線的強穿透性實現的“閉眼感知”。在物理學上，波長越長，越不容易被物質散射。相比於容易被遮擋的可見光，近紅外線能夠輕易地穿過一些在視覺上看起來“不透明”的物體，比如煙霧、濃塵，甚至是生物組織。在實驗中，受試者發現，即便閉上雙眼，由於近紅外光能夠像幽靈一樣穿透眼瞼皮膚，貼附在眼表的隱形眼鏡依然能捕捉到這些紅外光子並將其轉化為可見光。這意味著，人類第一次在“閉眼”的狀態下，依然能感知到外界的光影流動和信息變化。這種奇妙的體驗徹底打破了傳統視覺對“睜眼”這一動作的依賴，揭示了紅外視覺在特殊環境下（如濃煙、大霧或閉眼休息時）的獨特應用潛力。

未來人類或將能獲得夜視能力

如果說看見紅外圖像是視覺的“質變”，那麼看見紅外色彩就是視覺的“升維”。在自然界中，不同物體反射的紅外光譜其實和可見光一樣豐富。受人類視網膜“紅綠藍”三色原理的啟發，研究者提出了一種前瞻性的創新構想：在紅外波段重建一套“三原色”系統。此時研究人員並未簡單地將三種不同的納米顆粒混合，而是獨立合成了一種極其精密的單核多殼結構上轉換納米顆粒。

這種納米顆粒就像一個多層的“能量旅館”，通過在單一顆粒內部構建多個功能殼層，將不同的能量轉換過程在空間上隔絕開來。這種結構最大的優勢在於其轉換過程具有高度的“正交性”。具體而言，這種單核多殼顆粒可以分別將三種不同波長的近紅外光（如808nm、980nm和1532nm）獨立轉換為綠色、藍色和紅色的可見光，且彼此之間幾乎不發生串擾。這種正交性遠優於簡單的物理混合，它不僅極大提高了轉換效率，還確保了色彩的純淨度。

這就好比在紅外世界裡重建了一套精准的“RGB三原色”系統。通過這種創新的色彩轉換，人類可以用肉眼區分出原本看起來完全一樣的紅外光源，實現多種近紅外光向可見光的色彩轉換和混合。這不僅讓受試者獲得了對紅外空間極其豐富的色彩感知，更意味著我們可以通過顏色差異來區分不同成分的物質，實現真正意義上的多光譜認知。這一突破，將人類視覺的頻譜范圍在無需電子輔助的情況下，以前所未有的深度和精度進行了擴展。

人類認識世界的邊界，很大程度上取決於我們感官的邊界。從最初對光亮的本能反應，到如今能夠跨越光譜感知到色彩斑斕的紅外世界，每一次進步都代表著科學對自然界深層密碼的破譯。

雖然該技術還無法讓人類在夜晚自然光下獲得基於紅外視覺的夜視能力，上轉換納米材料的靈敏度和轉換效率還存在一些瓶頸。但是，這已指向一條全新的道路——無需依賴笨重的光電設備，僅憑一片輕薄的眼表器件，就有望改寫生物感知的光譜邊界。感官的極限從來不是終點，而是科學探索的起點，未來，人類有希望實現對近紅外光世界從“不可見”到“可見”的跨越。

（作者：陳雨諾、馬玉乾、薛天，分別系中國科學技術大學博士后﹔中國科學技術大學教授﹔中國科學技術大學講席教授、視覺健康全國重點實驗室副主任）