顧昌展：創(chuàng)造無線感知的無限未來

徐芳芳

不用觸摸，揮揮手就可以操控手機、智能手表；在進行癌癥的放射性治療時，無須再承受放射線帶來的身體副作用；對橋梁、高樓大廈等實施“健康監(jiān)測”，根據(jù)其振動情況提前預知坍塌事故的發(fā)生……或許你會覺得這些都是天方夜譚，但如今，這些“不可能的事”已經(jīng)變成了現(xiàn)實。而這些“奇跡”的實現(xiàn)得益于無線感知技術。上海交通大學長聘教軌副教授、博士生導師顧昌展正是無線感知探索者中的一員。10年無線感知科學探索，他品嘗過成功背后的艱辛與困苦，也越發(fā)篤定自己的選擇。

毅然回國，投身祖國科研事業(yè)

2006年，顧昌展在浙江大學信息與電子工程系讀完了本科。兩年后，在母校獲得碩士學位的顧昌展仍覺得自己對電子工程領域的知識學習得還不夠深入，于是萌生了出國留學的念頭。“當時一名在美國工作的親屬建議我去那里深造，繼續(xù)學習電子工程專業(yè)。”顧昌展說，“只是沒想到這一去就是11年”。2010年，顧昌展在美國佛羅里達大學全額獎學金Alumni Graduate Fellowship資助下獲得該校電子與計算機工程碩士學位。2013年，他又攻下了美國德克薩斯理工大學電子工程的博士學位。

博士畢業(yè)后，顧昌展留在了美國。他先是在芯片公司Marvell硅谷總部從事無線連接芯片的研發(fā)。2015年，他開始為谷歌美國硅谷總部工作，參與了毫米波手勢雷達技術的研究，及在Google Pixel4手機等產(chǎn)品中的應用。手勢雷達項目孵化于谷歌先進技術與項目實驗室（Google ATAP），該實驗室專注移動端的顛覆式創(chuàng)新。顧昌展介紹，谷歌對于實驗室的研發(fā)工作進行了全方位的支持，不僅提供了自由開放的工作氛圍，而且在經(jīng)費方面十分慷慨大方。當時，他一入職就向公司申請到了數(shù)百萬美元的科研資助用于射頻測試平臺的建設。

子曰：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者。”顧昌展能一直堅守在電子工程領域，“興趣”發(fā)揮了很大的作用。“從小我就比較喜歡動手，如拆了玩具重新組裝，研究收音機里的信號是從哪兒來的。那種攻堅破難的成就感常常會讓我興奮不已。”正是這種快樂學習的精神，促使著顧昌展在所學專業(yè)里一步步成長，并獲得一系列矚目的成就和榮譽。

顧昌展目前共發(fā)表了70余篇國際學術期刊和會議論文（其中第一/通訊作者論文30多篇），已授權6項美國發(fā)明專利，并申請了多項中國發(fā)明專利。以第一作者出版了1本英文專著。他先后7次獲得IEEE會議最佳/優(yōu)秀論文獎，其中連續(xù)3年第一作者論文獲得IEEE射頻無線周RWW主力會議之一BioWireleSS（現(xiàn)IMBioC）最佳/優(yōu)秀論文獎。2013年，顧昌展榮獲IEEE微波理論與技術學會（MTT-S）博士生獎（全球13人）。2019年，顧昌展獲得了由IEEE傳感學會頒發(fā)的早期職業(yè)技術成就獎（全球僅2人），以表彰其在近距微波感知生物醫(yī)學和人機交互方面的突出研究，這是國內(nèi)學者第一次獲得該獎項。同年，他還獲得日本大川情報通信基金研究助成獎（中國5人）。

2019年，在美國干得有聲有色的顧昌展卻選擇了回國發(fā)展。他辭去了谷歌公司硅谷總部的職務，轉(zhuǎn)而回到祖國，在上海交通大學任職。“近年來，我國發(fā)展迅速。國內(nèi)的科技氛圍、條件也都越來越好。選擇這個時間回國，我希望能最大化地發(fā)揮我的所長，親身參與中華民族的偉大復興，為之貢獻一份自己的力量。”

報效祖國，責無旁貸。顧昌展回國的決定，得到了全家人的支持。特別是妻子，成了他的堅強后盾。“我的妻子和我一樣，都是浙大畢業(yè)的。她出國留學的時間比我還早，畢業(yè)后一直在硅谷工作。回國后，我的待遇雖然只有原先的七分之一，但是妻子非常理解和支持我。無論在工作還是生活上，我們都可以深入探討和交流。可以說，我們既是朋友，也是伴侶，還是在人生道路上一起打怪升級、并肩作戰(zhàn)的隊友。”也正是因為有了家人的支持，顧昌展開始在國內(nèi)發(fā)展自己的科研事業(yè)。

強調(diào)實踐，推動科技成果與實際應用融合

顧昌展近10年來一直致力于微波毫米波雷達近距無線感知技術的研究。所謂無線感知，是指通過電磁波、光波、聲波等普適的無線信號，對人和環(huán)境進行非接觸式感知的技術。這一技術在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、健康醫(yī)療和國防等國家戰(zhàn)略發(fā)展和重要民生領域具有廣泛的應用前景。微波是波長較短的電磁波，速度等于光速。微波技術在生活中的應用范圍很廣，如當微波遇到車輛時，就會被立即反射回來，再被雷達測速計接收。這樣一來一回，不過幾十萬分之一秒的時間，數(shù)碼管上就會顯示出所測車輛的車速。毫米波則是頻率更高、波長更短（1mm？10mm）的電磁波。毫米波雷達就是指工作頻段在毫米波頻段的雷達，原理跟一般雷達類似，也就是把無線電波發(fā)出去，然后接收回波，根據(jù)收發(fā)之間的時間差和多普勒效應測得目標的特征信息。

“新型微波毫米波雷達具有探測性能穩(wěn)定、精度高、環(huán)境適用性好等特點，成為提升無線感知能力的重要發(fā)展方向之一。”顧昌展解釋道，“然而，面向物聯(lián)網(wǎng)、智能設備等新應用場景的無線感知目標鄰近觀測雷達，多是小于10米的近距離電磁散射體，構建相應的微波毫米波無線感知系統(tǒng)面臨著一系列亟待解決的關鍵科學問題。”

為此，顧昌展從復雜目標運動感知機理、同時同頻全雙工關鍵技術和抗干擾魯棒感知系統(tǒng)構建機制3個方面著手，對微波毫米波雷達近距無線感知技術進行了系統(tǒng)性研究，提出了近距目標多點散射射線追蹤模型、非線性相位調(diào)制諧波理論、高線性度相位解調(diào)算法、正交數(shù)字中頻、射頻-基帶融合對消等多種理論和方法，實現(xiàn)了突破性的科研探索發(fā)現(xiàn)。

在微波毫米波雷達近距無線感知技術研究中，顧昌展同時兼顧其理論研究和應用價值。他認為，只有把科學知識運用在實際生活中，才能讓其煥發(fā)出強大的生命力。顧昌展坦言：“我希望自己的研究不只是成為一篇篇論文刊登在學術期刊上，而是融入人們的生活中，給大家?guī)韺崒嵲谠诘暮锰帲Ｍ茏龅娇茖W性和應用性的結合。就像牛奶很容易變質(zhì)、不易儲存。在很久之前，牛奶只能在小范圍內(nèi)運輸，能喝到的人很少。而當巴氏滅菌法發(fā)明后，牛奶更容易存儲了，保質(zhì)期也變長了，人們很輕松地就可以在超市里購買到。巴氏殺菌就是兼顧科學性和應用性的研究成果。”基于實踐應用的科研信念及前述的理論方法和關鍵技術，顧昌展開拓了非接觸手勢交互、無感呼吸門控放療、建筑物健康監(jiān)測等創(chuàng)新應用，并在一定范圍內(nèi)普及開來。

非接觸手勢交互，就是指不直接接觸物體，利用手勢變化隔空操控物體。在谷歌就職期間，顧昌展就將非接觸手勢交互技術應用在智能手表、手機等設備中。作為谷歌毫米波手勢雷達研究團隊射頻系統(tǒng)的創(chuàng)始成員，顧昌展與德國英飛凌公司合作實現(xiàn)了包括封裝天線在內(nèi)的全集成60GHz毫米波手勢雷達芯片。基于該芯片設計了首個集成隔空手勢交互的智能手表原型，在2016 Google I/O成功演示。作為DRI （直接責任人），設計了多個型號的手勢雷達模組，應用到Pixel4手機等消費硬件產(chǎn)品中。Google Pixel4是世界上首個集成毫米波雷達隔空手勢操控的消費級產(chǎn)品。

無線感知的應用領域非常廣泛，不僅局限于電子信息領域，其與醫(yī)學的結合就是顧昌展做出的一次跨界嘗試。

根據(jù)中國國家癌癥中心報告，肺癌在我國居惡性腫瘤發(fā)病第一位。放射療法是治療肺癌的主要途徑之一，肺癌放療的一個挑戰(zhàn)性難題是位于胸腔的腫瘤會隨著病人的呼吸而運動。針對移動腫瘤，臨床上一般采用寬放射線覆蓋整個移動區(qū)間，但也同時覆蓋了腫瘤周圍健康的組織而造成傷害，具有明顯的副作用。

基于雷達感知原理，顧昌展提出了無感呼吸門控放療技術，實現(xiàn)了對呼吸運動的無線精準追蹤，確保了精準放療，解決了由于呼吸運動使肺部腫瘤產(chǎn)生位移而導致的肺癌放療不確定性。他還與數(shù)位醫(yī)學專家合作開展了多次模擬醫(yī)學實驗，實現(xiàn)腫瘤追蹤絕對誤差小于0.12mm，表明該技術能顯著提高放療有效性并降低副作用。

跨界的嘗試不斷，顧昌展的科研成果還應用在了工程建筑領域。我國是基礎設施大國，對橋梁和大型建筑結構實施健康監(jiān)測，對于保證其正常運營、預防因結構災害而造成重大公共安全事故的發(fā)生具有重大意義。而加速度計、線性可變差動變壓器等傳統(tǒng)的傳感器普遍需要跟建筑物的表面進行接觸，存在布置不便、數(shù)據(jù)傳輸和組網(wǎng)困難等缺點。顧昌展根據(jù)自己的研究所得，提出了雷達無線感知建筑物健康監(jiān)測技術。他通過設計多普勒雷達微型測振傳感器，實現(xiàn)了對橋梁等建筑亞毫米級振動的無線非接觸監(jiān)測。與現(xiàn)有監(jiān)測方案相比，這一方案具有非接觸、高精度、易組網(wǎng)等優(yōu)點。

角色轉(zhuǎn)變，盡心培養(yǎng)電子科技人才

“對坐軒窗讀書樂，怎忍花前不醉歸”。再次回到校園，顧昌展由一名勤學苦讀的學子變成了一位教書育人的老師。“教育工作跟我之前在美國硅谷的工作還不太一樣。現(xiàn)在除了盡心做好科學研究，我還要努力培養(yǎng)學生，幫助他們提高專業(yè)能力！”

顧昌展是這么說的，也是這么做的。盡管科研任務繁重，但他還是盡量抽出時間參與學生培養(yǎng)的每一個環(huán)節(jié)。在進行課題研究時，不論是課題選題，還是中期匯報，亦或是畢業(yè)答辯，顧昌展都對學生進行了悉心指導，對每篇報告和論文都進行了仔細地修改和完善。在回國的第一年，由他指導的博士一年級學生的研究論文即入圍了原定于2020年6月在美國洛杉磯召開的微波領域國際頂級會議IEEE IMS學生優(yōu)秀論文競賽決賽（由于疫情影響改為線上會議）。

此外，他還特別注意培養(yǎng)學生的動手能力。顧昌展指導的學生研究的課題大部分都是與電子工程實踐相關，涉及電路系統(tǒng)的設計、組裝、調(diào)試等都由學生自己動手完成。學生不僅參與硬件系統(tǒng)的設計，還需要完成信息處理算法開發(fā)，以及演示系統(tǒng)搭建。2019年10月，上汽·未來汽車創(chuàng)想邀請賽總決賽成功舉辦。由顧昌展指導的6位學生組成的“交大微波智能戰(zhàn)隊”以“基于微波融合感知的車內(nèi)無感監(jiān)測與交互”獲“車內(nèi)場景識別解決方案”賽題冠軍即總決賽一等獎。基于微波融合感知技術，他們不僅實現(xiàn)了對車內(nèi)人員的位置、動作的追蹤，還可以在不需穿戴任何額外設備的情況下實現(xiàn)對呼吸、心率等人體生物指標的監(jiān)測。

“惟學無際，際于天地。習坎示教，始見經(jīng)綸。”顧昌展很喜歡浙大校歌里的這兩句話。前一句論科研，后一句論教育。雖然在科學研究和教學領域都取得了不俗的成績，但他始終保持著好學、謙虛、樸素的作風，對待學術問題求真務實、勇于創(chuàng)新；對待身邊的人以誠相待、和善質(zhì)樸，受到學生的深深愛戴。

“我希望在未來的三五年內(nèi)，在電子領域內(nèi)有所突破，同時能將自己的科研成果與實際應用結合起來，給人們的生活帶來方便，這樣我的工作才算是有意義的！”顧昌展說。