这款隐形眼镜，精确矫正色盲！—华中科大臧剑锋团队近期在柔性超材料领域取得新突破

颗粒在线讯：研究背景

柔性超材料是指将传统超材料中人工设计微纳结构设计引入柔性可拉伸材料领域，相对于传统超材料，柔性超材料可以弯曲，折叠，拉伸，压缩，变形且仍能保持高效光/声/力调控性能，被广泛应用于人体健康器件，电子皮肤，人机交互界面等实际应用领域。

成果简介

最近，华中科技大学臧剑锋团队提出了一种可以精确矫正色盲的反向设计隐形眼镜，通过类似配近似眼镜的方法，对色盲患者采取先诊断，后设计的反向设计方案，其定制化的色盲矫正隐形眼镜在仿真模拟与实际人体实验中都具备良好的矫正效果，相关工作以“Inverse-Designed Aid Lenses for Precise Correction of Color Vision Deficiency” 为题在线发表在《Nano Letters》上（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00262）。

色彩视觉是人类最重要的感知能力之一。然而地球上有3亿多人都患有色觉缺陷(色弱和色盲)相关的疾病。虽然目前还没有根治这种疾病的临床方法，但有一些特殊的滤色眼镜/镜片可以被用于色觉缺陷的矫正。

通过团队自己搭建的色盲鉴别镜，我们可以像测量近视度数一样，精确地测量色盲患者的类别和严重程度。并根据患者的色盲情况，反向设计出具备合适参数（峰值吸光率，滤波波长）的色弱矫正隐形眼镜。

这种精确矫正的隐形眼镜不但能提高患者对不同颜色的辨别能力，而且能给患者还原一个近似正常人的色觉体验（图1）。绝大多数患者在佩戴反向设计矫正眼镜后，对石原氏图的辨别能力有了明显的提升。并且反映对其他日常生活中的场景的颜色感知，如：红绿灯，彩色气球等都有了一定的提升。

图1. 定制化色弱矫正眼镜眼镜的反向设计方法。(A)反向设计色弱矫正眼镜的四个步骤 (B) 色弱患者的视锥细胞偏移量检查界面 (C)基于患者视锥细胞偏移量，反向设计矫正眼镜的峰值吸收率和滤波波长。绿色和红色区域分别代表为∆λ = -10 nm和+10 nm的患者定制的眼镜的设计参数。

图2. 调节矫正眼镜的峰值吸收率和滤波波长。(A) Au@SiO2纳米粒子的FETEM图像，直径分别为30、45、55、65、75 nm。比例尺是300纳米。(B)它们直径的分布直方图。(C)不同滤波波长的矫正眼镜的吸收光谱。(D)根据设计的滤波波长参数确定加入的纳米粒子的直径。红色实线表示纳米粒子的直径与滤波波长的拟合关系。(E)不同峰值吸收率的矫正眼镜的透射谱。眼镜中添加纳米粒子的直径均为45 nm。比例尺是1 cm。(F)根据设计的矫正眼镜的峰值吸收率来确定眼镜中添加的纳米粒子的浓度。蓝色实线表示纳米粒子的浓度与峰值吸收率的拟合关系。

图3. 反向设计的精确矫正眼镜的矫正效果。(A)与两种商用眼镜的透射光谱对比 (B)在CIEXYZ色度图上显示色弱患者对颜色感知的偏差，以及矫正效果。黑点代表正常色觉。蓝点代表色弱患者色觉。红点代表佩戴本文中精确矫正眼镜的患者的色觉。(C)正常色觉、色弱患者、佩戴商用眼镜或本文中的精确矫正眼镜的患者的色觉区域对比。(D) 正常色觉、色弱患者、佩戴商用眼镜或本文中的精确矫正眼镜的患者对石原氏色盲鉴别图谱和交通灯的色觉感知。(E)不同严重程度的色弱患者配戴精确矫正眼镜或其他商用眼镜后，与正常人对比的色觉相似度。  *商用眼镜1代表VINO O2 Amp Oxy-Iso眼镜。商用眼镜2代表Enchroma Cx-65眼镜。

图4. 对六名色觉异常患者的实际佩戴测试。(A-D)对石原氏色盲鉴别图谱的辨认结果。蓝色、红色和紫色的矩形分别代表了在不戴眼镜、佩戴本文中的反向设计矫正眼镜或商用眼镜的情况下能够识别出图片中正确数字的患者人数。

小结

本项工作提出了一种基于色盲患者的视锥细胞偏移，反向设计出具备精确矫正能力的色盲色弱矫正镜的设计方法。这种眼镜不但能提高患者对不同颜色的辨别能力，而且在日常生活中也能给患者还原一个近似正常人的丰富的色觉体验。同时，这种眼镜具备良好的生物相容性，高稳定性，良好的润湿性（佩戴舒适度）和低成本的优点，在未来的实际应用中具备很大的潜力。

论文第一作者为华中科技大学光学与电子信息学院博士生田野、博士后唐瀚川、硕士生康天誉，论文通讯作者为华中科技大学光学与电子信息学院、武汉光电国家研究中心臧剑锋教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金资助支持。