Исследователи создали мягкие контактные линзы, которые позволяют видеть инфракрасный свет и даже различать цвета за пределами видимого спектра, и все это без хирургического вмешательства и батареек. Сенсорная революция, которая повлияет на зрение человека и будущие технологии.
Наступила ночь. Вы находитесь в темном месте, ваши веки закрыты. Но вы все равно различаете формы, свет, движения. Это не фантазия и не странный сон. Именно это удалось сделать некоторым добровольцам благодаря экспериментальной контактной линзе, которая преображает человеческое зрение как никогда прежде. Это новшество не пришло из научной фантастики, хотя и могло бы быть таковым. Это пришло из лаборатории, от исследователей, которые задавались вопросом, можем ли мы расширить возможности восприятия наших глаз.
Это открытие было опубликовано в журнале Cell и быстро привлекло международное внимание. Причина: это мягкая контактная линза без батареек и кабелей, способная обеспечить человеку инфракрасное зрение, то есть возможность видеть за пределами видимого спектра. И самое удивительное: она работает даже с закрытыми глазами, благодаря способности инфракрасного излучения проходить сквозь веки. Другими словами, он превращает пользователя в своего рода сенсорного супергероя.
Как работает контактная линза, которая видит невидимое
Разработка основана на сложном оптическом принципе: преобразовании инфракрасного света в видимый свет с помощью специальных наночастиц. Эти линзы, называемые UCL (контактные линзы с повышающим преобразованием), содержат наночастицы, внедренные в мягкие полимерные материалы. По словам исследователей, были синтезированы частицы с ядром из фторида натрия и гадолиния, легированные эрбием, иттербием и золотом. Эти частицы поглощают инфракрасный свет (от 800 до 1600 нм) и преобразуют его в видимый свет (от 380 до 750 нм).
Революционным здесь является не только само преобразование, но и тот факт, что оно происходит внутри мягкой, удобной, прозрачной и безопасной для человеческого глаза контактной линзы. Согласно исследованию, UCL достигают оптической прозрачности более 90%, что позволяет не влиять на естественное зрение. В отличие от других приборов ночного видения, этим линзам не требуется внешнее питание, поскольку преобразование света происходит внутри самих материалов.
Мыши и люди: первые подопытные под наблюдением
Прежде чем достичь человеческого глаза, испытания начались на мышах. В серии экспериментов животным надевали контактные линзы, закрывавшие их зашитые глаза. Даже с закрытыми глазами мыши реагировали на световые стимулы в инфракрасном спектре: их зрачки сужались, а мозг демонстрировал зрительную активность, регистрируемую на электроэнцефалограммах. Мыши также избегали областей, освещенных инфракрасным светом, что подтверждает, что они воспринимают этот свет.
После получения этих результатов начались испытания на людях. Несколько добровольцев приняли участие в экспериментах по восприятию в темных комнатах. Надев контактные линзы, они смогли обнаружить закономерности мерцания инфракрасного света. Но самым удивительным было то, что когда они закрывали глаза, их чувствительность к инфракрасному излучению улучшалась, а зрение в видимом свете исчезало. Это происходит потому, что инфракрасный свет проникает через веки лучше, чем видимый свет, уменьшая «визуальный шум» окружающей среды.
Инфракрасный цвет: недостающее измерение
Одним из технических достижений проекта стало достижение цветного инфракрасного зрения. Для достижения этой цели команда разработала вариант контактной линзы под названием tUCL (трихроматическая UCL). В этих линзах используются более сложные наночастицы, которые преобразуют различные полосы инфракрасного спектра в три основных цвета: красный, зеленый и синий. Таким образом, люди, которые их носят, могут различать различные длины волн инфракрасного излучения, как если бы это были цвета.
Данная система была оценена с помощью тестов на соответствие цвета. Добровольцы регулировали интенсивность различных инфракрасных лазеров (на 808, 980 и 1532 нм) до тех пор, пока они не достигли заданного цвета, как будто они смешивали видимый свет. Результаты оказались очевидными: они смогли с удивительной точностью генерировать инфракрасный цветовой диапазон, эквивалентный видимому спектру.
Кроме того, эти новые линзы позволили пользователям интерпретировать инфракрасные визуальные коды на основе цветов и мерцания. Они даже научились распознавать формы и узоры, такие как буквы или геометрические символы, и все это благодаря преобразованию невидимого света в красочные изображения.
Это не магия: это оптика, химия и биосовместимость
Ничего из этого не было бы возможно без чрезвычайно точного проектирования. Наночастицы должны иметь точный размер и быть идеально распределены в материале. Показатель преломления между полимером и частицами должен быть отрегулирован с точностью до миллиметра, чтобы линза оставалась прозрачной. Для достижения этой цели исследователи обратились к полимерам, таким как pHEMA, уже используемым в коммерческих контактных линзах, но модифицированным для сохранения оптической прозрачности даже при содержании 7% наночастиц.
Кроме того, были проведены испытания на биосовместимость на мышах. После ношения линз в течение нескольких часов и дней подряд не было обнаружено никаких признаков воспаления, гибели клеток или структурных изменений в сетчатке. Было также установлено, что гидратация и гибкость материала сопоставимы с показателями коммерческих контактных линз. У людей в ходе испытаний не было зафиксировано никаких побочных эффектов.
Стоим ли мы перед лицом будущего человеческого зрения?
Хотя результаты многообещающие, технология пока не готова к коммерческому использованию. В настоящее время контактные линзы способны улавливать только интенсивное инфракрасное излучение, например, испускаемое мощными светодиодами. Необходимо повысить чувствительность, чтобы иметь возможность воспринимать более слабые источники, такие как тепло тела или остаточный свет в естественных ночных условиях. Кроме того, UCL не позволяют получить изображение с мелкими деталями, поскольку преобразование слегка размывает направление света.
Для решения этой проблемы авторы исследования разработали дополнительную систему: очки со специальными линзами, которые концентрируют инфракрасное изображение до того, как оно достигнет контактной линзы, тем самым улучшая пространственное разрешение. Это еще один шаг на пути к полной интеграции оптических технологий и человеческого восприятия.
Помимо зрения в темноте, исследователи выделяют и другие области применения: обнаружение зашифрованных сигналов, помощь людям с дальтонизмом, невидимая связь и спасение в экстремальных условиях. Как говорится в оригинальной статье, «наша работа подтверждает, что возможности мониторинга человека могут быть достигнуты с помощью носимых наноматериалов».
Источник: Юцянь Ма, Юно Чен, Шэн Ван и др. Пространственно-временное цветовое зрение в ближнем инфракрасном диапазоне у людей стало возможным благодаря контактным линзам с повышающей конверсией. doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
