“做基礎(chǔ)研究，就是要有敢于做顛覆性科研的勇氣。”戴瓊海說(shuō)。
成立于2001年的清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，主要開(kāi)展計(jì)算攝像、腦科學(xué)與人工智能等國(guó)際前沿交叉科學(xué)的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究。20多年來(lái)，在戴瓊海的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)成員始終堅(jiān)持“理學(xué)思維融合工科實(shí)踐，交叉領(lǐng)域踐行原始創(chuàng)新”的科研理念，在科研“無(wú)人區(qū)”不斷探索。
2021年4月19日，習(xí)近平總書(shū)記考察清華大學(xué)時(shí)，曾來(lái)到這里。“要保持對(duì)基礎(chǔ)研究的持續(xù)投入，鼓勵(lì)自由探索，敢于質(zhì)疑現(xiàn)有理論，勇于開(kāi)拓新的方向。”習(xí)近平總書(shū)記的殷殷囑托，是戴瓊海團(tuán)隊(duì)最大的奮進(jìn)動(dòng)力。
既敢想，又敢為。如今，一公里外看清螞蟻、十億像素動(dòng)態(tài)視頻采集、活體全腦神經(jīng)成像……這些“瘋狂的想法”，正在戴瓊海團(tuán)隊(duì)手中逐步成為現(xiàn)實(shí)。
“從0到1”，能打硬仗
清華大學(xué)主樓三層，展示了團(tuán)隊(duì)近年來(lái)交叉科研創(chuàng)新重點(diǎn)成果，有些技術(shù)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域變革產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。
2005年，《科學(xué)》雜志發(fā)布全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題，其中第40個(gè)問(wèn)題是：能否制造完美的光學(xué)透鏡？“光線經(jīng)過(guò)不完美的光學(xué)透鏡會(huì)產(chǎn)生像差，導(dǎo)致成像模糊變形。近百年來(lái)，科學(xué)家們不斷設(shè)計(jì)出更多更復(fù)雜的鏡頭，但像差始終存在。”戴瓊海說(shuō)。
“戴老師帶領(lǐng)我們逆向思考，跳出‘完美成像’依賴‘完美鏡頭’的原有思路，提出了元成像原理，建立了數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)，即使經(jīng)過(guò)不完美的光學(xué)透鏡與復(fù)雜的成像環(huán)境，也能實(shí)現(xiàn)完美的三維光學(xué)成像。”團(tuán)隊(duì)中負(fù)責(zé)光場(chǎng)成像研究的清華大學(xué)自動(dòng)化系助理教授吳嘉敏介紹，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)研制了“時(shí)—空—角”自適應(yīng)融合的元成像芯片。這一成果為解決光學(xué)像差這一百年難題開(kāi)辟了一條新路徑，顛覆了傳統(tǒng)成像模式，可廣泛應(yīng)用于天文觀測(cè)、生物成像、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。
一直以來(lái)，活體腦觀測(cè)儀器的研制始終受困于視場(chǎng)與分辨率之間的固有矛盾：微觀儀器可以分辨神經(jīng)元，但看不清全腦；宏觀儀器能看清全腦，但無(wú)法分辨神經(jīng)元。這一性能瓶頸，極大限制了腦科學(xué)、免疫學(xué)等前沿學(xué)科的突破。2012年，戴瓊海團(tuán)隊(duì)決定迎接這一挑戰(zhàn)。此后的6年間，團(tuán)隊(duì)成員披星戴月，幾乎住在了實(shí)驗(yàn)室。“我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)最大的特點(diǎn)是能打硬仗，說(shuō)幾個(gè)晚上不睡覺(jué)就幾個(gè)晚上不睡覺(jué)，經(jīng)常第二天臉一洗就直接上班了。”團(tuán)隊(duì)中負(fù)責(zé)智能成像研究的清華大學(xué)自動(dòng)化系助理教授喬暉說(shuō)。
功夫不負(fù)有心人，2018年，團(tuán)隊(duì)成功研制了全球視場(chǎng)最大、數(shù)據(jù)通量最高的顯微儀器——高分辨光場(chǎng)智能成像顯微儀器(“RUSH”)。
“與其他國(guó)家研制的儀器相比，‘RUSH’每秒能拍到百億像素，是國(guó)際上首個(gè)能實(shí)現(xiàn)小鼠全腦皮層范圍神經(jīng)活動(dòng)高分辨率成像的儀器。”喬暉說(shuō)，“RUSH”對(duì)推進(jìn)生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)科學(xué)發(fā)展，提升我國(guó)大型精密生物觀測(cè)科學(xué)儀器的研究和應(yīng)用水平，具有重大戰(zhàn)略意義。
“要做出別人想都想不到的事”
吳嘉敏還記得自己2013年加入戴瓊海團(tuán)隊(duì)后的感覺(jué)：“可謂如沐春風(fēng)。團(tuán)隊(duì)成員都有一個(gè)共同的特質(zhì)——對(duì)科研有一種特別的熱愛(ài)。但最吸引我的，則是戴老師‘要敢于做顛覆性的科學(xué)研究’的理念。”
“我認(rèn)為，做學(xué)問(wèn)的人分三個(gè)層次：做研究做到極致，那是牛人；做別人做不到的事，那是高人；做出別人想都想不到的事，那是神人。”戴瓊海笑著說(shuō)，“我要求團(tuán)隊(duì)的青年教師和學(xué)生們，選題必須去想‘圖諾問(wèn)題’——圖靈獎(jiǎng)和諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的問(wèn)題，致力于成為‘神人’。”
我們小時(shí)候大都觀察過(guò)螞蟻搬家，但如果想隔著一公里遠(yuǎn)去看螞蟻搬家，該如何實(shí)現(xiàn)？
鏡頭的成本和尺寸，會(huì)隨著有效像素?cái)?shù)的增加迅速增長(zhǎng)。而一旦隔著很遠(yuǎn)的距離，成像過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)各種各樣的環(huán)境干擾，如同霧里看花。“一公里外看螞蟻”就是一項(xiàng)典型挑戰(zhàn)，以傳統(tǒng)技術(shù)手段很難實(shí)現(xiàn)。
吳嘉敏表示，團(tuán)隊(duì)采用的元成像技術(shù)，能通過(guò)對(duì)高維光信號(hào)的精確感知，突破這一難題，“簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)，我們建立了數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)，通過(guò)多角度信息實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)多區(qū)域的快速像差估計(jì)與矯正，進(jìn)而在后處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)完美聚焦，即使在動(dòng)態(tài)復(fù)雜的成像環(huán)境中仍能保持高分辨率。目前，我們已經(jīng)能夠隔著一公里遠(yuǎn)的距離看清毫米尺度的一個(gè)螞蟻，有望極大提升我國(guó)的遙感觀測(cè)能力”。
針對(duì)復(fù)雜大場(chǎng)景動(dòng)態(tài)感知難題，團(tuán)隊(duì)成員、清華大學(xué)電子工程系副教授方璐提出了非結(jié)構(gòu)光場(chǎng)感知新原理，突破了寬視場(chǎng)—高分辨固有矛盾，研制了十億像素級(jí)動(dòng)態(tài)光場(chǎng)成像裝備，應(yīng)用于北京冬奧會(huì)上。
“就像戴老師強(qiáng)調(diào)的，做科研一定要致力于原始創(chuàng)新。”方璐說(shuō)。為此，她經(jīng)常鼓勵(lì)學(xué)生們多看科幻電影，“科幻電影的想象力更豐富，我希望大家能夠從中獲得更多靈感。如果把科幻電影里最有可能實(shí)現(xiàn)的東西做出來(lái)，就是很原創(chuàng)的東西”。
如今，方璐正帶領(lǐng)同學(xué)們攻關(guān)非結(jié)構(gòu)元光場(chǎng)智能成像的理論與技術(shù)，期望為觀測(cè)天體和遙感成像帶來(lái)新契機(jī)。
在這里，青年人才茁壯成長(zhǎng)
重大原始創(chuàng)新成果往往萌發(fā)于深厚的基礎(chǔ)研究，產(chǎn)生于學(xué)科交叉領(lǐng)域。
戴瓊海想得很清楚，過(guò)去100余年，有20多項(xiàng)獲諾貝爾獎(jiǎng)的研究與腦科學(xué)有關(guān)，而在醫(yī)學(xué)影像界，僅核磁共振技術(shù)就催生了多位諾貝爾獎(jiǎng)得主。在這些領(lǐng)域，有太多“顛覆性研究”值得探索。
“所謂‘顛覆性研究’有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：是否改變了科學(xué)研究的路徑，是否改變了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向，是否可以寫(xiě)進(jìn)教科書(shū)。我常常告訴團(tuán)隊(duì)成員，你們的科研成果不能只是曇花一現(xiàn)。因此，我鼓勵(lì)他們通過(guò)學(xué)科交叉成為綜合型科技人才。”戴瓊海說(shuō)。
“記得做‘RUSH’的時(shí)候，我們不僅要開(kāi)展對(duì)病毒遺傳、神經(jīng)元損傷機(jī)理、藥物篩選的研究，還要建立和完善多種腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移、神經(jīng)環(huán)路響應(yīng)的體內(nèi)外研究模型，更要構(gòu)建多維多尺度計(jì)算攝像儀器的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。”喬暉說(shuō)，雖然辛苦，但大家斗志滿滿。不久前，“RUSH”被美國(guó)科學(xué)院院士、美國(guó)腦計(jì)劃發(fā)起人之一馬克·施內(nèi)策(Mark Schnitzer)教授在《細(xì)胞》上稱(chēng)贊：“這一精心杰作是未來(lái)更廣泛普及的介觀觀測(cè)儀器的先驅(qū)。”
在做光場(chǎng)元成像這個(gè)課題時(shí)，為實(shí)現(xiàn)地對(duì)月的高質(zhì)量成像，團(tuán)隊(duì)的博士生郭鈺鐸有一段時(shí)間夜夜值守在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地做地對(duì)月觀測(cè)。“那是2021年3月，溫度在夜里已經(jīng)降到零下二三十?dāng)z氏度，我常常一待就是三四個(gè)小時(shí)，為了保暖穿三件羽絨服。”郭鈺鐸說(shuō)。
“元成像系統(tǒng)突破了大氣湍流像差影響，成功拍到了月亮高清照!”有一天夜里一點(diǎn)鐘，方璐接到了郭鈺鐸打來(lái)的電話。電話那頭的郭鈺鐸興奮地說(shuō)：“方老師，我現(xiàn)在感覺(jué)零下二三十?dāng)z氏度也沒(méi)那么冷了!”
能在團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)自身價(jià)值，始終激勵(lì)團(tuán)隊(duì)成員奮力前行。
2021年8月，以團(tuán)隊(duì)成員、博士生李欣陽(yáng)為第一作者的論文在《自然·方法學(xué)》發(fā)表，于國(guó)際上首次提出高效實(shí)現(xiàn)鈣成像去噪的方法。歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室顯微技術(shù)專(zhuān)家阿爾瓦羅·克雷文納評(píng)價(jià)其“有望改變游戲規(guī)則”。對(duì)此，李欣陽(yáng)直言：“一些人繞過(guò)問(wèn)題，我想去解決問(wèn)題。”
同是2021年，團(tuán)隊(duì)成員、博士生周天貺作為第一作者的論文在《自然·光子學(xué)》發(fā)表，提出并構(gòu)建了光電智能衍射計(jì)算處理器，這一成果得到瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)工學(xué)院院長(zhǎng)德米特里·賽提斯教授充分肯定，認(rèn)為其“證明了光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠和類(lèi)似電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)”。
根本固者，華實(shí)必茂。2021年，戴瓊海團(tuán)隊(duì)獲得了“全國(guó)高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)”稱(chēng)號(hào)。團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)的90后甚至00后們，正不斷創(chuàng)造出具有國(guó)際影響力的科技成果，以國(guó)家需求為重，扛起歷史重任。
