作者:任欢 来源:光明日报 发布时间:2023/5/7 8:08:20
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清华大学成像与智能技术实验室团队:“要敢于做颠覆性的科学研究”

 

迈入清华大学主楼三层的成像与智能技术实验室,走廊深处的一面墙上贴满了科学公式,公式下面写着四个字:欢迎指正。这是中国工程院院士、清华大学成像与智能技术实验室主任戴琼海特意让学生打印、贴上的。

“做基础研究,就是要有敢于做颠覆性科研的勇气。”戴琼海说。

成立于2001年的清华大学成像与智能技术实验室,主要开展计算摄像、脑科学与人工智能等国际前沿交叉科学的基础理论与关键技术研究。20多年来,在戴琼海的带领下,团队成员始终坚持“理学思维融合工科实践,交叉领域践行原始创新”的科研理念,在科研“无人区”不断探索。

2021年4月19日,习近平总书记考察清华大学时,曾来到这里。“要保持对基础研究的持续投入,鼓励自由探索,敢于质疑现有理论,勇于开拓新的方向。”习近平总书记的殷殷嘱托,是戴琼海团队最大的奋进动力。

既敢想,又敢为。如今,一公里外看清蚂蚁、十亿像素动态视频采集、活体全脑神经成像……这些“疯狂的想法”,正在戴琼海团队手中逐步成为现实。

“从0到1”,能打硬仗

清华大学主楼三层,展示了团队近年来交叉科研创新重点成果,有些技术对相关领域变革产生了巨大的推动作用。

2005年,《科学》杂志发布全世界最前沿的125个科学问题,其中第40个问题是:能否制造完美的光学透镜?“光线经过不完美的光学透镜会产生像差,导致成像模糊变形。近百年来,科学家们不断设计出更多更复杂的镜头,但像差始终存在。”戴琼海说。

“戴老师带领我们逆向思考,跳出‘完美成像’依赖‘完美镜头’的原有思路,提出了元成像原理,建立了数字自适应光学架构,即使经过不完美的光学透镜与复杂的成像环境,也能实现完美的三维光学成像。”团队中负责光场成像研究的清华大学自动化系助理教授吴嘉敏介绍,经过无数次实验,团队研制了“时—空—角”自适应融合的元成像芯片。这一成果为解决光学像差这一百年难题开辟了一条新路径,颠覆了传统成像模式,可广泛应用于天文观测、生物成像、医疗诊断等领域。

一直以来,活体脑观测仪器的研制始终受困于视场与分辨率之间的固有矛盾:微观仪器可以分辨神经元,但看不清全脑;宏观仪器能看清全脑,但无法分辨神经元。这一性能瓶颈,极大限制了脑科学、免疫学等前沿学科的突破。2012年,戴琼海团队决定迎接这一挑战。此后的6年间,团队成员披星戴月,几乎住在了实验室。“我们这个团队最大的特点是能打硬仗,说几个晚上不睡觉就几个晚上不睡觉,经常第二天脸一洗就直接上班了。”团队中负责智能成像研究的清华大学自动化系助理教授乔晖说。

功夫不负有心人,2018年,团队成功研制了全球视场最大、数据通量最高的显微仪器——高分辨光场智能成像显微仪器(“RUSH”)。

“与其他国家研制的仪器相比,‘RUSH’每秒能拍到百亿像素,是国际上首个能实现小鼠全脑皮层范围神经活动高分辨率成像的仪器。”乔晖说,“RUSH”对推进生命科学和医学科学发展,提升我国大型精密生物观测科学仪器的研究和应用水平,具有重大战略意义。

“要做出别人想都想不到的事”

吴嘉敏还记得自己2013年加入戴琼海团队后的感觉:“可谓如沐春风。团队成员都有一个共同的特质——对科研有一种特别的热爱。但最吸引我的,则是戴老师‘要敢于做颠覆性的科学研究’的理念。”

“我认为,做学问的人分三个层次:做研究做到极致,那是牛人;做别人做不到的事,那是高人;做出别人想都想不到的事,那是神人。”戴琼海笑着说,“我要求团队的青年教师和学生们,选题必须去想‘图诺问题’——图灵奖和诺贝尔奖级别的问题,致力于成为‘神人’。”

我们小时候大都观察过蚂蚁搬家,但如果想隔着一公里远去看蚂蚁搬家,该如何实现?

镜头的成本和尺寸,会随着有效像素数的增加迅速增长。而一旦隔着很远的距离,成像过程中就会出现各种各样的环境干扰,如同雾里看花。“一公里外看蚂蚁”就是一项典型挑战,以传统技术手段很难实现。

吴嘉敏表示,团队采用的元成像技术,能通过对高维光信号的精确感知,突破这一难题,“简要来说,我们建立了数字自适应光学架构,通过多角度信息实现大视场多区域的快速像差估计与矫正,进而在后处理过程中实现完美聚焦,即使在动态复杂的成像环境中仍能保持高分辨率。目前,我们已经能够隔着一公里远的距离看清毫米尺度的一个蚂蚁,有望极大提升我国的遥感观测能力”。

针对复杂大场景动态感知难题,团队成员、清华大学电子工程系副教授方璐提出了非结构光场感知新原理,突破了宽视场—高分辨固有矛盾,研制了十亿像素级动态光场成像装备,应用于北京冬奥会上。

“就像戴老师强调的,做科研一定要致力于原始创新。”方璐说。为此,她经常鼓励学生们多看科幻电影,“科幻电影的想象力更丰富,我希望大家能够从中获得更多灵感。如果把科幻电影里最有可能实现的东西做出来,就是很原创的东西”。

如今,方璐正带领同学们攻关非结构元光场智能成像的理论与技术,期望为观测天体和遥感成像带来新契机。

在这里,青年人才茁壮成长

重大原始创新成果往往萌发于深厚的基础研究,产生于学科交叉领域。

戴琼海想得很清楚,过去100余年,有20多项获诺贝尔奖的研究与脑科学有关,而在医学影像界,仅核磁共振技术就催生了多位诺贝尔奖得主。在这些领域,有太多“颠覆性研究”值得探索。

“所谓‘颠覆性研究’有三个标准:是否改变了科学研究的路径,是否改变了产业发展的方向,是否可以写进教科书。我常常告诉团队成员,你们的科研成果不能只是昙花一现。因此,我鼓励他们通过学科交叉成为综合型科技人才。”戴琼海说。

“记得做‘RUSH’的时候,我们不仅要开展对病毒遗传、神经元损伤机理、药物筛选的研究,还要建立和完善多种肿瘤侵袭转移、神经环路响应的体内外研究模型,更要构建多维多尺度计算摄像仪器的基础数据库。”乔晖说,虽然辛苦,但大家斗志满满。不久前,“RUSH”被美国科学院院士、美国脑计划发起人之一马克·施内策(Mark Schnitzer)教授在《细胞》上称赞:“这一精心杰作是未来更广泛普及的介观观测仪器的先驱。”

在做光场元成像这个课题时,为实现地对月的高质量成像,团队的博士生郭钰铎有一段时间夜夜值守在中国科学院国家天文台兴隆观测基地做地对月观测。“那是2021年3月,温度在夜里已经降到零下二三十摄氏度,我常常一待就是三四个小时,为了保暖穿三件羽绒服。”郭钰铎说。

“元成像系统突破了大气湍流像差影响,成功拍到了月亮高清照!”有一天夜里一点钟,方璐接到了郭钰铎打来的电话。电话那头的郭钰铎兴奋地说:“方老师,我现在感觉零下二三十摄氏度也没那么冷了!”

能在团队实现自身价值,始终激励团队成员奋力前行。

2021年8月,以团队成员、博士生李欣阳为第一作者的论文在《自然·方法学》发表,于国际上首次提出高效实现钙成像去噪的方法。欧洲分子生物学实验室显微技术专家阿尔瓦罗·克雷文纳评价其“有望改变游戏规则”。对此,李欣阳直言:“一些人绕过问题,我想去解决问题。”

同是2021年,团队成员、博士生周天贶作为第一作者的论文在《自然·光子学》发表,提出并构建了光电智能衍射计算处理器,这一成果得到瑞士洛桑联邦理工大学工学院院长德米特里·赛提斯教授充分肯定,认为其“证明了光子神经网络能够和类似电子神经网络竞争”。

根本固者,华实必茂。2021年,戴琼海团队获得了“全国高校黄大年式教师团队”称号。团队培养的90后甚至00后们,正不断创造出具有国际影响力的科技成果,以国家需求为重,扛起历史重任。

(本报记者 任欢)

 
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