做問題驅(qū)使原創(chuàng)研究讓“看見更多”成為可能
——就“大先生”問題訪談戴瓊海院士

□ 文/錢浩君 徐思羽 侯靈犀

戴瓊海，清華大學(xué)教授，中國工程院院士，清華大學(xué)信息學(xué)院院長，北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心主任，中國人工智能學(xué)會理事長。主要學(xué)術(shù)方向?yàn)槌上衽c智能技術(shù)、腦與認(rèn)知科學(xué)，長期致力于相關(guān)領(lǐng)域理論和關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，主持承擔(dān)了科技部重大基礎(chǔ)研究973 項(xiàng)目、國家基金委重大儀器項(xiàng)目和基金委科學(xué)中心項(xiàng)目，成功研制了系列儀器與裝備。目前開展的研究包括認(rèn)知智能、智能光電計(jì)算和元宇宙等。

2021年4 月19 日，習(xí)近平總書記來到清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室考察，對實(shí)驗(yàn)室展板上關(guān)于科學(xué)研究的三句話仔細(xì)品讀：“理學(xué)思維融合工科實(shí)踐，交叉領(lǐng)域踐行原始創(chuàng)新；基礎(chǔ)研究領(lǐng)跑科學(xué)前沿，科技報(bào)國培養(yǎng)一流人才；原創(chuàng)儀器引領(lǐng)國際合作，自主芯片支撐寓軍于民。”短短三句話，是實(shí)驗(yàn)室二十多年來持續(xù)奮斗的真實(shí)寫照，也是習(xí)近平總書記對科學(xué)研究的充分肯定和殷殷囑托。

戴瓊海院士所帶領(lǐng)的成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成立于2001年。成立之初，實(shí)驗(yàn)室主要研究流媒體技術(shù)，通過攻克關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)圖片、視頻的實(shí)時(shí)傳輸播放，使人們看得更流暢。團(tuán)隊(duì)聚焦流媒體傳輸標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的成果“基于融合網(wǎng)絡(luò)的流媒體新技術(shù)”于2008 年獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎，所研發(fā)的轉(zhuǎn)碼技術(shù)也為國內(nèi)外多家公司采用。2004 年前后，國外陸續(xù)啟動立體視頻研究，戴老師敏銳地察覺到，這是中國信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)源頭創(chuàng)新、趕超發(fā)達(dá)國家的絕佳機(jī)會。團(tuán)隊(duì)突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，打破了我國視頻核心技術(shù)對國外的依賴，使人們看得更清晰。“立體視頻獲取與重建技術(shù)及裝置”項(xiàng)目獲得2012年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎。2012年，實(shí)驗(yàn)室開辟了腦科學(xué)介觀成像研究的方向，研制出的“超級顯微鏡”RUSH 至今仍是國際上視場最大、數(shù)據(jù)通量最高的介觀光學(xué)顯微儀器，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了活體全腦神經(jīng)活動高分辨率成像，使人們看得更精微。現(xiàn)階段，實(shí)驗(yàn)室又有了新的奮斗目標(biāo)：瞄準(zhǔn)“完美成像”這一百年難題，為更多生命科學(xué)探索創(chuàng)造條件。

回顧自身的科研歷程，戴老師深有感觸：對于科研工作者來說，科學(xué)研究的轉(zhuǎn)向絕非易事。既要有“敢于跳深淵”的巨大勇氣，不斷尋求新挑戰(zhàn)；更要有戰(zhàn)略眼光，著眼世界學(xué)術(shù)前沿和重大原始創(chuàng)新，服務(wù)于國家重大需求。在他看來，“大先生”就是要敢于研究真問題，致力于解決實(shí)際問題。

“先生之大”在于“大情懷”

其一，是對祖國的熱愛。從流媒體到立體視頻再到顯微儀器，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)三次重大轉(zhuǎn)向，不變的是對服務(wù)國家重大戰(zhàn)略、解決關(guān)鍵“卡脖子”技術(shù)問題的堅(jiān)定信念。習(xí)近平總書記聽取戴老師關(guān)于實(shí)驗(yàn)室在光電芯片、智能成像領(lǐng)域最新成果的匯報(bào)后評價(jià)道：“這個突破也是不得了！”“這些都是科學(xué)研究中的要害！”戴老師說，習(xí)近平總書記的囑托給了實(shí)驗(yàn)室全體科研人員最大的奮進(jìn)動力，“作為清華人，我們要繼續(xù)在科研道路上努力向前奔，我們有信心有決心為中國成為世界科技中心和創(chuàng)新高地作出清華的貢獻(xiàn)”。對于聚焦科技前沿，開展原始創(chuàng)新，服務(wù)國家重大戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，戴老師始終充滿激情、信心滿滿。

其二，是對科學(xué)本源的熱愛。戴老師說：“問題驅(qū)使是原創(chuàng)，方法驅(qū)使是改進(jìn)”。知識給了我們規(guī)則，也限制了想問題的能力；跳出知識框架去想“好的問題”，才可能推動知識框架的更替。他引導(dǎo)學(xué)生深刻理解提出科學(xué)問題的重要性，每當(dāng)有人興沖沖地談起其他研究方法不足，而自己的方法更快、更好時(shí)，他總會“潑潑冷水”：要求學(xué)生不要局限于簡單的方法改進(jìn)，而是要懷抱對自然、對科學(xué)的熱愛，勇敢地探索事物本源，“做問題驅(qū)使的原創(chuàng)性研究”。

其三，是對長輩和晚輩的熱愛。戴老師深情回憶起幾位師長和摯友：博士生導(dǎo)師柴天佑院士一生勤勉治學(xué)，善于將各個領(lǐng)域的認(rèn)識映射到自動控制的問題中進(jìn)行研究。博士后導(dǎo)師李衍達(dá)院士不僅是信號處理領(lǐng)域的大家，更在61歲時(shí)毅然轉(zhuǎn)變研究方向，成為我國生物信息學(xué)的奠基人。吳澄院士是中國計(jì)算機(jī)集成制造領(lǐng)域的開創(chuàng)者，曾協(xié)調(diào)力量推進(jìn)國家重大課題。薛其坤院士既是好友也是榜樣，兩人經(jīng)常討論思考理學(xué)思維與工程實(shí)踐的結(jié)合問題。戴老師說：“過去有老師帶我，現(xiàn)在我?guī)W(xué)生，二十多年來實(shí)驗(yàn)室一以貫之的傳統(tǒng)就是‘老中青結(jié)合’”。習(xí)近平總書記在實(shí)驗(yàn)室考察時(shí)說：“中國的教育是能夠培養(yǎng)出大師來的。”戴老師說：“我們培養(yǎng)的這批‘90 后’‘00 后’，一定會扛起歷史重任！”

“先生之大”在于“大視野”

戴老師曾對“顛覆性研究”做出定義：一要改變科學(xué)研究的方向；二要改變產(chǎn)業(yè)發(fā)展的路徑；三要改寫教科書，即改變現(xiàn)有的知識框架。如何發(fā)現(xiàn)代表“顛覆性研究”的問題？

其一，要善于從科學(xué)本質(zhì)上尋找問題，回歸科學(xué)研究的本源。他說：“所有研究的最終意義都是推動全人類的發(fā)展”。科學(xué)研究，歸根結(jié)底是要回答“一黑兩暗三起源”的基本問題。一黑，黑洞；兩暗，暗物質(zhì)、暗能量；三起源，宇宙起源、生命起源、意識起源。通過“完美成像”儀器，可以讓科學(xué)家看得范圍更大、觀測精度更高，從而有機(jī)會探測暗物質(zhì)、暗能量，進(jìn)而探尋宇宙起源、生命起源、意識起源，解答全人類的終極問題，這就是實(shí)驗(yàn)室的“星辰大海”。

其二，在思想和認(rèn)識論上，要有全局性視野、戰(zhàn)略性思維。“大先生”就得有戰(zhàn)略科學(xué)家的視野：既能夠看到相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的廣袤遠(yuǎn)景，也要有統(tǒng)一的思想認(rèn)識論。科研工作就是要著眼長遠(yuǎn)，發(fā)現(xiàn)和解決關(guān)乎國家和人類長遠(yuǎn)發(fā)展的問題，而不能局限于討論研究具體的方法和舉措。戴老師的實(shí)驗(yàn)室有一間咖啡屋，其中一面墻上貼滿了數(shù)理公式，公式下面有四個字：歡迎指正。這是他特意讓學(xué)生打印好、貼上去的。他說，做研究就是要敢于挑戰(zhàn)前沿，要有顛覆經(jīng)典物理公式的心理準(zhǔn)備。

其三，在研究路徑的選擇上，要勇于挑戰(zhàn)未知及權(quán)威。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？即“完美鏡頭”問題：光線經(jīng)過光學(xué)透鏡表面?zhèn)鬏敃纬上癫睿瑢?dǎo)致成像模糊變形，而“完美鏡頭”即指沒有任何像差、能實(shí)現(xiàn)“所見即所得”的透鏡。近百年來，科學(xué)家們不斷設(shè)計(jì)出更多、更復(fù)雜的鏡頭解決像差問題，但由于鏡面加工工藝誤差、系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷、環(huán)境擾動等的影響，像差始終存在。此外，傳統(tǒng)成像受海森堡不確定性原理限制，始終存在空間分辨率與角度分辨率之間的固有矛盾，即使有了“完美鏡頭”，也不一定能“完美成像”。

戴老師認(rèn)為，聚焦于通過制造“完美鏡頭”構(gòu)建成像系統(tǒng)，反而導(dǎo)致系統(tǒng)視野小、速度慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，他毅然挑戰(zhàn)既有思路，提出研究“完美成像”問題。基于數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)原理，實(shí)驗(yàn)室提出了一種集成化的元成像芯片架構(gòu)，通過計(jì)算性能優(yōu)越的傳感器彌補(bǔ)光學(xué)透鏡直接成像的像差，實(shí)現(xiàn)高速大范圍像差矯正，即使經(jīng)過不完美的光學(xué)透鏡與復(fù)雜的成像環(huán)境，依然能實(shí)現(xiàn)完美的三維光學(xué)成像。“‘完美鏡頭’聚焦于工具端，而‘完美成像’則抓住本質(zhì)，是問題導(dǎo)向也是目標(biāo)導(dǎo)向。”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，將應(yīng)用于天文觀測、生物成像、醫(yī)療診斷等多個領(lǐng)域。

“先生之大”在于“大格局”

大格局在于“大道至簡”的科研理念和人生信條。他崇尚愛因斯坦的格言：“不能簡明地解釋一件事，說明你對它懂得不夠多。”在科研的道路上要善于把復(fù)雜的理論用簡明的道理、簡潔的語言表達(dá)出來，要把它分析成最簡單的問題，最終定義到基本數(shù)理問題上。所以，他希望通過攻克“完美成像”問題，為生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)提供有力工具，為建立機(jī)理模型奠定基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)生命問題的數(shù)理表達(dá)。

大格局也在于道路選擇上敢于“突破自我”。科學(xué)研究容易產(chǎn)生路徑依賴和領(lǐng)域固化。2008 年，戴老師在立體視頻研究得心應(yīng)手的時(shí)候，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)毅然跳出信息領(lǐng)域，在一個半月的時(shí)間內(nèi)全心投入，“閉關(guān)”研讀討論《自然》《科學(xué)》《細(xì)胞》等頂尖期刊的最新文獻(xiàn)，最終確定材料科學(xué)與生物信息學(xué)兩個新的可能的科研方向。又歷經(jīng)四年籌備，最終確定腦科學(xué)研究方向。通過“換道超車”，不斷開拓新的研究領(lǐng)域，在突破自我的過程中不斷拓展團(tuán)隊(duì)的視野和格局。

大格局還在于為人處世上講究“胸懷寬廣”。戴老師認(rèn)為，吳澄院士嚴(yán)謹(jǐn)內(nèi)斂、胸懷寬廣的清華作風(fēng)對他影響頗多。戴老師曾給自己定下一個原則：“不與清華任何一位老師競爭選題”。他樂于調(diào)動團(tuán)隊(duì)的力量團(tuán)結(jié)協(xié)作、集智攻關(guān)。2012 年，實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃研制觀測腦皮層神經(jīng)成像的儀器。為解決缺少大規(guī)模團(tuán)隊(duì)的問題，他借鑒吳澄院士的辦法，與精儀系、電子系、自動化系共同打造攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉融合，也帶動相關(guān)院系在多個研究方向?qū)崿F(xiàn)重要突破。

“先生之大”在于“大作為”

其一，要瞄準(zhǔn)國家戰(zhàn)略重點(diǎn)協(xié)同攻關(guān)。近年來，實(shí)驗(yàn)室研制的“兩芯一器”突破壁壘，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變。“兩芯”，人工智能光電芯片相對于國外頂級芯片算力提升10 倍，能耗降到十分之一；光場智能成像芯片為解決光學(xué)像差難題提供了新思路，將自適應(yīng)光學(xué)視場范圍提升900 倍。“一器”，即高分辨光場智能成像顯微儀器，是國際上首個能實(shí)現(xiàn)小鼠全腦皮層范圍神經(jīng)活動高分辨率成像的儀器。實(shí)驗(yàn)室又研發(fā)出掃描光場顯微鏡“DAOSLIMIT”，為揭示神經(jīng)、腫瘤等生命科學(xué)問題提供變革性工具。

其二，要緊盯世界科技前沿不斷突破。他說：“做研究要有抓手，而且一定要知道自己在國際上的定位”。他要求自己和團(tuán)隊(duì)成員每天瀏覽數(shù)十篇、精讀一兩篇文獻(xiàn)，五年至少要看一萬篇，時(shí)刻緊盯世界科技前沿。2004 年，他在歐洲開會，得知德國馬克斯·普朗克研究所在討論做立體視頻。回國后，他就立即著手調(diào)研，針對采集裝置需要輔助標(biāo)記和周期性運(yùn)動的國際難題，構(gòu)建了由40 個相機(jī)和數(shù)百組光源的采集系統(tǒng)，提出稀疏重建理論與方法，并研制出立體顯示芯片，成為VR/AR 和立體影視的核心技術(shù)。

其三，要堅(jiān)守培養(yǎng)人才的初心使命。他說：“在清華，沒有不好的學(xué)生，只有不好的老師。”他親自為學(xué)生制定培養(yǎng)計(jì)劃，從不要求學(xué)生追求文章發(fā)表數(shù)量，但強(qiáng)調(diào)要提出新原理、構(gòu)建新裝置，并要準(zhǔn)確說明自己在國際上的位置。他認(rèn)為，“每個人都有個性，發(fā)展好了都能成國家棟梁之材。”懷抱育人初心，實(shí)驗(yàn)室于2021年入選第二批全國高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)；未來，也將在“大情懷”“大視野”“大格局”的指引下，致力于培養(yǎng)一批堪當(dāng)重任的科技人才，為中國成為世界科學(xué)中心和創(chuàng)新高地做出屬于清華的“大作為”。