邁入清華大學主樓三層的成像與智能技術實驗室，走廊深處的一面墻上貼滿了科學公式，公式下面寫著四個字：歡迎指正。這是中國工程院院士、清華大學成像與智能技術實驗室主任戴瓊海特意讓學生打印、貼上的。
“做基礎研究，就是要有敢于做顛覆性科研的勇氣。”戴瓊海說。
成立于2001年的清華大學成像與智能技術實驗室，主要開展計算攝像、腦科學與人工智能等國際前沿交叉科學的基礎理論與關鍵技術研究。20多年來，在戴瓊海的帶領下，團隊成員始終堅持“理學思維融合工科實踐，交叉領域踐行原始創(chuàng)新”的科研理念，在科研“無人區(qū)”不斷探索。
2021年4月19日，習近平總書記考察清華大學時，曾來到這里。“要保持對基礎研究的持續(xù)投入，鼓勵自由探索，敢于質疑現有理論，勇于開拓新的方向。”習近平總書記的殷殷囑托，是戴瓊海團隊最大的奮進動力。
既敢想，又敢為。如今，一公里外看清螞蟻、十億像素動態(tài)視頻采集、活體全腦神經成像……這些“瘋狂的想法”，正在戴瓊海團隊手中逐步成為現實。
“從0到1”，能打硬仗
清華大學主樓三層，展示了團隊近年來交叉科研創(chuàng)新重點成果，有些技術對相關領域變革產生了巨大的推動作用。
2005年，《科學》雜志發(fā)布全世界最前沿的125個科學問題，其中第40個問題是：能否制造完美的光學透鏡？“光線經過不完美的光學透鏡會產生像差，導致成像模糊變形。近百年來，科學家們不斷設計出更多更復雜的鏡頭，但像差始終存在。”戴瓊海說。
“戴老師帶領我們逆向思考，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，建立了數字自適應光學架構，即使經過不完美的光學透鏡與復雜的成像環(huán)境，也能實現完美的三維光學成像。”團隊中負責光場成像研究的清華大學自動化系助理教授吳嘉敏介紹，經過無數次實驗，團隊研制了“時—空—角”自適應融合的元成像芯片。這一成果為解決光學像差這一百年難題開辟了一條新路徑，顛覆了傳統(tǒng)成像模式，可廣泛應用于天文觀測、生物成像、醫(yī)療診斷等領域。
一直以來，活體腦觀測儀器的研制始終受困于視場與分辨率之間的固有矛盾：微觀儀器可以分辨神經元，但看不清全腦；宏觀儀器能看清全腦，但無法分辨神經元。這一性能瓶頸，極大限制了腦科學、免疫學等前沿學科的突破。2012年，戴瓊海團隊決定迎接這一挑戰(zhàn)。此后的6年間，團隊成員披星戴月，幾乎住在了實驗室。“我們這個團隊最大的特點是能打硬仗，說幾個晚上不睡覺就幾個晚上不睡覺，經常第二天臉一洗就直接上班了。”團隊中負責智能成像研究的清華大學自動化系助理教授喬暉說。
功夫不負有心人，2018年，團隊成功研制了全球視場最大、數據通量最高的顯微儀器——高分辨光場智能成像顯微儀器（“RUSH”）。
“與其他國家研制的儀器相比，‘RUSH’每秒能拍到百億像素，是國際上首個能實現小鼠全腦皮層范圍神經活動高分辨率成像的儀器。”喬暉說，“RUSH”對推進生命科學和醫(yī)學科學發(fā)展，提升我國大型精密生物觀測科學儀器的研究和應用水平，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年加入戴瓊海團隊后的感覺：“可謂如沐春風。團隊成員都有一個共同的特質——對科研有一種特別的熱愛。但最吸引我的，則是戴老師‘要敢于做顛覆性的科學研究’的理念。”
“我認為，做學問的人分三個層次：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，“我要求團隊的青年教師和學生們，選題必須去想‘圖諾問題’——圖靈獎和諾貝爾獎級別的問題，致力于成為‘神人’。”
我們小時候大都觀察過螞蟻搬家，但如果想隔著一公里遠去看螞蟻搬家，該如何實現？
鏡頭的成本和尺寸，會隨著有效像素數的增加迅速增長。而一旦隔著很遠的距離，成像過程中就會出現各種各樣的環(huán)境干擾，如同霧里看花。“一公里外看螞蟻”就是一項典型挑戰(zhàn)，以傳統(tǒng)技術手段很難實現。
吳嘉敏表示，團隊采用的元成像技術，能通過對高維光信號的精確感知，突破這一難題，“簡要來說，我們建立了數字自適應光學架構，通過多角度信息實現大視場多區(qū)域的快速像差估計與矯正，進而在后處理過程中實現完美聚焦，即使在動態(tài)復雜的成像環(huán)境中仍能保持高分辨率。目前，我們已經能夠隔著一公里遠的距離看清毫米尺度的一個螞蟻，有望極大提升我國的遙感觀測能力”。
針對復雜大場景動態(tài)感知難題，團隊成員、清華大學電子工程系副教授方璐提出了非結構光場感知新原理，突破了寬視場—高分辨固有矛盾，研制了十億像素級動態(tài)光場成像裝備，應用于北京冬奧會上。
“就像戴老師強調的，做科研一定要致力于原始創(chuàng)新。”方璐說。為此，她經常鼓勵學生們多看科幻電影，“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現的東西做出來，就是很原創(chuàng)的東西”。
如今，方璐正帶領同學們攻關非結構元光場智能成像的理論與技術，期望為觀測天體和遙感成像帶來新契機。
在這里，青年人才茁壯成長
重大原始創(chuàng)新成果往往萌發(fā)于深厚的基礎研究，產生于學科交叉領域。
戴瓊海想得很清楚，過去100余年，有20多項獲諾貝爾獎的研究與腦科學有關，而在醫(yī)學影像界，僅核磁共振技術就催生了多位諾貝爾獎得主。在這些領域，有太多“顛覆性研究”值得探索。
“所謂‘顛覆性研究’有三個標準：是否改變了科學研究的路徑，是否改變了產業(yè)發(fā)展的方向，是否可以寫進教科書。我常常告訴團隊成員，你們的科研成果不能只是曇花一現。因此，我鼓勵他們通過學科交叉成為綜合型科技人才。”戴瓊海說。
“記得做‘RUSH’的時候，我們不僅要開展對病毒遺傳、神經元損傷機理、藥物篩選的研究，還要建立和完善多種腫瘤侵襲轉移、神經環(huán)路響應的體內外研究模型，更要構建多維多尺度計算攝像儀器的基礎數據庫。”喬暉說，雖然辛苦，但大家斗志滿滿。不久前，“RUSH”被美國科學院院士、美國腦計劃發(fā)起人之一馬克·施內策（Mark Schnitzer）教授在《細胞》上稱贊：“這一精心杰作是未來更廣泛普及的介觀觀測儀器的先驅。”
在做光場元成像這個課題時，為實現地對月的高質量成像，團隊的博士生郭鈺鐸有一段時間夜夜值守在中國科學院國家天文臺興隆觀測基地做地對月觀測。“那是2021年3月，溫度在夜里已經降到零下二三十攝氏度，我常常一待就是三四個小時，為了保暖穿三件羽絨服。”郭鈺鐸說。
“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！”有一天夜里一點鐘，方璐接到了郭鈺鐸打來的電話。電話那頭的郭鈺鐸興奮地說：“方老師，我現在感覺零下二三十攝氏度也沒那么冷了！”
能在團隊實現自身價值，始終激勵團隊成員奮力前行。
2021年8月，以團隊成員、博士生李欣陽為第一作者的論文在《自然·方法學》發(fā)表，于國際上首次提出高效實現鈣成像去噪的方法。歐洲分子生物學實驗室顯微技術專家阿爾瓦羅·克雷文納評價其“有望改變游戲規(guī)則”。對此，李欣陽直言：“一些人繞過問題，我想去解決問題。”
同是2021年，團隊成員、博士生周天貺作為第一作者的論文在《自然·光子學》發(fā)表，提出并構建了光電智能衍射計算處理器，這一成果得到瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學工學院院長德米特里·賽提斯教授充分肯定，認為其“證明了光子神經網絡能夠和類似電子神經網絡競爭”。
根本固者，華實必茂。2021年，戴瓊海團隊獲得了“全國高校黃大年式教師團隊”稱號。團隊培養(yǎng)的90后甚至00后們，正不斷創(chuàng)造出具有國際影響力的科技成果，以國家需求為重，扛起歷史重任。
來源：《光明日報》
