邁入清華大學(xué)主樓三層的成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,走廊深處的一面墻上貼滿了科學(xué)公式,公式下面寫(xiě)著四個(gè)字:歡迎指正。這是中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任戴瓊海特意讓學(xué)生打印、貼上的。
“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?!耙3謱?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?!绷?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?!贝鳝偤Uf(shuō)。
“戴老師帶領(lǐng)我們逆向思考,跳出‘完美成像’依賴(lài)‘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?!眻F(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?!眻F(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?!眴虝熣f(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?!?/p>
“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?!贝鳝偤Pχf(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?!耙还锿饪次浵仭本褪且豁?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?!狈借凑f(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?!贝鳝偤Uf(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)?!眴虝熣f(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)?!?/p>
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)?!澳鞘?021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?!惫曡I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?!?/p>
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。(記者 任歡)
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