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邁入清華大學(xué)主樓三層的成像與智能技術(shù)實驗室，走廊深處的一面墻上貼滿了科學(xué)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(xué)成像與智能技術(shù)實驗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?！贝鳝偤Ｕf。

成立于2001年的清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實驗室，主要開展計算攝像、腦科學(xué)與人工智能等國際前沿交叉科學(xué)的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究。20多年來，在戴瓊海的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊成員始終堅持“理學(xué)思維融合工科實踐，交叉領(lǐng)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(xí)近平總書記考察清華大學(xué)時，曾來到這里?！耙３謱A(chǔ)研究的持續(xù)投入，鼓勵自由探索，敢于質(zhì)疑現(xiàn)有理論，勇于開拓新的方向。”習(xí)近平總書記的殷殷囑托，是戴瓊海團(tuán)隊最大的奮進(jìn)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(jīng)成像……這些“瘋狂的想法”，正在戴瓊海團(tuán)隊手中逐步成為現(xiàn)實。

“從0到1”，能打硬仗

清華大學(xué)主樓三層，展示了團(tuán)隊近年來交叉科研創(chuàng)新重點成果，有些技術(shù)對相關(guān)領(lǐng)域變革產(chǎn)生了巨大的推動作用。

2005年，《科學(xué)》雜志發(fā)布全世界最前沿的125個科學(xué)問題，其中第40個問題是：能否制造完美的光學(xué)透鏡？“光線經(jīng)過不完美的光學(xué)透鏡會產(chǎn)生像差，導(dǎo)致成像模糊變形。近百年來，科學(xué)家們不斷設(shè)計出更多更復(fù)雜的鏡頭，但像差始終存在?！贝鳝偤Ｕf。

“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)過不完美的光學(xué)透鏡與復(fù)雜的成像環(huán)境，也能實現(xiàn)完美的三維光學(xué)成像。”團(tuán)隊中負(fù)責(zé)光場成像研究的清華大學(xué)自動化系助理教授吳嘉敏介紹，經(jīng)過無數(shù)次實驗，團(tuán)隊研制了“時—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、生物成像、醫(yī)療診斷等領(lǐng)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(jīng)元，但看不清全腦；宏觀儀器能看清全腦，但無法分辨神經(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)隊決定迎接這一挑戰(zhàn)。此后的6年間，團(tuán)隊成員披星戴月，幾乎住在了實驗室?！拔覀冞@個團(tuán)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(jīng)常第二天臉一洗就直接上班了?！眻F(tuán)隊中負(fù)責(zé)智能成像研究的清華大學(xué)自動化系助理教授喬暉說。

功夫不負(fù)有心人，2018年，團(tuán)隊成功研制了全球視場最大、數(shù)據(jù)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(xiàn)小鼠全腦皮層范圍神經(jīng)活動高分辨率成像的儀器。”喬暉說，“RUSH”對推進(jìn)生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)科學(xué)發(fā)展，提升我國大型精密生物觀測科學(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)隊后的感覺：“可謂如沐春風(fēng)。團(tuán)隊成員都有一個共同的特質(zhì)——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(xué)研究’的理念?！?/p>

“我認(rèn)為，做學(xué)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?！贝鳝偤Ｐχf，“我要求團(tuán)隊的青年教師和學(xué)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’?！?/p>

我們小時候大都觀察過螞蟻搬家，但如果想隔著一公里遠(yuǎn)去看螞蟻搬家，該如何實現(xiàn)？

鏡頭的成本和尺寸，會隨著有效像素數(shù)的增加迅速增長。而一旦隔著很遠(yuǎn)的距離，成像過程中就會出現(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椀湫吞魬?zhàn)，以傳統(tǒng)技術(shù)手段很難實現(xiàn)。

吳嘉敏表示，團(tuán)隊采用的元成像技術(shù)，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(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)，通過多角度信息實現(xiàn)大視場多區(qū)域的快速像差估計與矯正，進(jìn)而在后處理過程中實現(xiàn)完美聚焦，即使在動態(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螞蟻，有望極大提升我國的遙感觀測能力”。

針對復(fù)雜大場景動態(tài)感知難題，團(tuán)隊成員、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(yīng)用于北京冬奧會上。

“就像戴老師強調(diào)的，做科研一定要致力于原始創(chuàng)新?！狈借凑f。為此，她經(jīng)常鼓勵學(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現(xiàn)的東西做出來，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)元光場智能成像的理論與技術(shù)，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(chǔ)研究，產(chǎn)生于學(xué)科交叉領(lǐng)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(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，是否可以寫進(jìn)教科書。我常常告訴團(tuán)隊成員，你們的科研成果不能只是曇花一現(xiàn)。因此，我鼓勵他們通過學(xué)科交叉成為綜合型科技人才?！贝鳝偤Ｕf。

“記得做‘RUSH’的時候，我們不僅要開展對病毒遺傳、神經(jīng)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(zhuǎn)移、神經(jīng)環(huán)路響應(yīng)的體內(nèi)外研究模型，更要構(gòu)建多維多尺度計算攝像儀器的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫?！眴虝熣f，雖然辛苦，但大家斗志滿滿。不久前，“RUSH”被美國科學(xué)院院士、美國腦計劃發(fā)起人之一馬克·施內(nèi)策（Mark Schnitzer）教授在《細(xì)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(qū)?！?/p>

在做光場元成像這個課題時，為實現(xiàn)地對月的高質(zhì)量成像，團(tuán)隊的博士生郭鈺鐸有一段時間夜夜值守在中國科學(xué)院國家天文臺興隆觀測基地做地對月觀測?！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小時，為了保暖穿三件羽絨服?！惫曡I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(xiàn)在感覺零下二三十?dāng)z氏度也沒那么冷了！”

能在團(tuán)隊實現(xiàn)自身價值，始終激勵團(tuán)隊成員奮力前行。

2021年8月，以團(tuán)隊成員、博士生李欣陽為第一作者的論文在《自然·方法學(xué)》發(fā)表，于國際上首次提出高效實現(xiàn)鈣成像去噪的方法。歐洲分子生物學(xué)實驗室顯微技術(shù)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?！?/p>

同是2021年，團(tuán)隊成員、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)能夠和類似電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)競爭”。

根本固者，華實必茂。2021年，戴瓊海團(tuán)隊獲得了“全國高校黃大年式教師團(tuán)隊”稱號。團(tuán)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。（記者 任歡）