做問題驅使原創研究讓“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，清華大學教授，中國工程院院士，清華大學信息學院院長，北京信息科學與技術國家研究中心主任，中國人工智能學會理事長。主要學術方向為成像與智能技術、腦與認知科學，長期致力于相關領域理論和關鍵技術創新，主持承擔了科技部重大基礎研究973 項目、國家基金委重大儀器項目和基金委科學中心項目，成功研制了系列儀器與裝備。目前開展的研究包括認知智能、智能光電計算和元宇宙等。

2021年4 月19 日，習近平總書記來到清華大學成像與智能技術實驗室考察，對實驗室展板上關于科學研究的三句話仔細品讀：“理學思維融合工科實踐，交叉領域踐行原始創新；基礎研究領跑科學前沿，科技報國培養一流人才；原創儀器引領國際合作，自主芯片支撐寓軍于民。”短短三句話，是實驗室二十多年來持續奮斗的真實寫照，也是習近平總書記對科學研究的充分肯定和殷殷囑托。

戴瓊海院士所帶領的成像與智能技術實驗室成立于2001年。成立之初，實驗室主要研究流媒體技術，通過攻克關鍵技術，實現了互聯網圖片、視頻的實時傳輸播放，使人們看得更流暢。團隊聚焦流媒體傳輸標準轉換的成果“基于融合網絡的流媒體新技術”于2008 年獲得國家技術發明二等獎，所研發的轉碼技術也為國內外多家公司采用。2004 年前后，國外陸續啟動立體視頻研究，戴老師敏銳地察覺到，這是中國信息技術實現源頭創新、趕超發達國家的絕佳機會。團隊突破多項關鍵技術，打破了我國視頻核心技術對國外的依賴，使人們看得更清晰。“立體視頻獲取與重建技術及裝置”項目獲得2012年度國家技術發明一等獎。2012年，實驗室開辟了腦科學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、數據通量最高的介觀光學顯微儀器，在國際上首次實現了活體全腦神經活動高分辨率成像，使人們看得更精微。現階段，實驗室又有了新的奮斗目標：瞄準“完美成像”這一百年難題，為更多生命科學探索創造條件。

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，科學研究的轉向絕非易事。既要有“敢于跳深淵”的巨大勇氣，不斷尋求新挑戰；更要有戰略眼光，著眼世界學術前沿和重大原始創新，服務于國家重大需求。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，實驗室團隊歷經三次重大轉向，不變的是對服務國家重大戰略、解決關鍵“卡脖子”技術問題的堅定信念。習近平總書記聽取戴老師關于實驗室在光電芯片、智能成像領域最新成果的匯報后評價道：“這個突破也是不得了！”“這些都是科學研究中的要害！”戴老師說，習近平總書記的囑托給了實驗室全體科研人員最大的奮進動力，“作為清華人，我們要繼續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新高地作出清華的貢獻”。對于聚焦科技前沿，開展原始創新，服務國家重大戰略與經濟社會發展，戴老師始終充滿激情、信心滿滿。

其二，是對科學本源的熱愛。戴老師說：“問題驅使是原創，方法驅使是改進”。知識給了我們規則，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。他引導學生深刻理解提出科學問題的重要性，每當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，他總會“潑潑冷水”：要求學生不要局限于簡單的方法改進，而是要懷抱對自然、對科學的熱愛，勇敢地探索事物本源，“做問題驅使的原創性研究”。

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：博士生導師柴天佑院士一生勤勉治學，善于將各個領域的認識映射到自動控制的問題中進行研究。博士后導師李衍達院士不僅是信號處理領域的大家，更在61歲時毅然轉變研究方向，成為我國生物信息學的奠基人。吳澄院士是中國計算機集成制造領域的開創者，曾協調力量推進國家重大課題。薛其坤院士既是好友也是榜樣，兩人經常討論思考理學思維與工程實踐的結合問題。戴老師說：“過去有老師帶我，現在我帶學生，二十多年來實驗室一以貫之的傳統就是‘老中青結合’”。習近平總書記在實驗室考察時說：“中國的教育是能夠培養出大師來的。”戴老師說：“我們培養的這批‘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：一要改變科學研究的方向；二要改變產業發展的路徑；三要改寫教科書，即改變現有的知識框架。如何發現代表“顛覆性研究”的問題？

其一，要善于從科學本質上尋找問題，回歸科學研究的本源。他說：“所有研究的最終意義都是推動全人類的發展”。科學研究，歸根結底是要回答“一黑兩暗三起源”的基本問題。一黑，黑洞；兩暗，暗物質、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，可以讓科學家看得范圍更大、觀測精度更高，從而有機會探測暗物質、暗能量，進而探尋宇宙起源、生命起源、意識起源，解答全人類的終極問題，這就是實驗室的“星辰大海”。

其二，在思想和認識論上，要有全局性視野、戰略性思維。“大先生”就得有戰略科學家的視野：既能夠看到相關領域內的廣袤遠景，也要有統一的思想認識論。科研工作就是要著眼長遠，發現和解決關乎國家和人類長遠發展的問題，而不能局限于討論研究具體的方法和舉措。戴老師的實驗室有一間咖啡屋，其中一面墻上貼滿了數理公式，公式下面有四個字：歡迎指正。這是他特意讓學生打印好、貼上去的。他說，做研究就是要敢于挑戰前沿，要有顛覆經典物理公式的心理準備。

其三，在研究路徑的選擇上，要勇于挑戰未知及權威。2005 年，《科學》雜志發布全世界最前沿的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？即“完美鏡頭”問題：光線經過光學透鏡表面傳輸會形成像差，導致成像模糊變形，而“完美鏡頭”即指沒有任何像差、能實現“所見即所得”的透鏡。近百年來，科學家們不斷設計出更多、更復雜的鏡頭解決像差問題，但由于鏡面加工工藝誤差、系統設計缺陷、環境擾動等的影響，像差始終存在。此外，傳統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”。

戴老師認為，聚焦于通過制造“完美鏡頭”構建成像系統，反而導致系統視野小、速度慢、結構復雜，他毅然挑戰既有思路，提出研究“完美成像”問題。基于數字自適應光學原理，實驗室提出了一種集成化的元成像芯片架構，通過計算性能優越的傳感器彌補光學透鏡直接成像的像差，實現高速大范圍像差矯正，即使經過不完美的光學透鏡與復雜的成像環境，依然能實現完美的三維光學成像。“‘完美鏡頭’聚焦于工具端，而‘完美成像’則抓住本質，是問題導向也是目標導向。”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，將應用于天文觀測、生物成像、醫療診斷等多個領域。

“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雜的理論用簡明的道理、簡潔的語言表達出來，要把它分析成最簡單的問題，最終定義到基本數理問題上。所以，他希望通過攻克“完美成像”問題，為生命科學、醫學實驗提供有力工具，為建立機理模型奠定基礎，最終實現生命問題的數理表達。

大格局也在于道路選擇上敢于“突破自我”。科學研究容易產生路徑依賴和領域固化。2008 年，戴老師在立體視頻研究得心應手的時候，帶領團隊毅然跳出信息領域，在一個半月的時間內全心投入，“閉關”研讀討論《自然》《科學》《細胞》等頂尖期刊的最新文獻，最終確定材料科學與生物信息學兩個新的可能的科研方向。又歷經四年籌備，最終確定腦科學研究方向。通過“換道超車”，不斷開拓新的研究領域，在突破自我的過程中不斷拓展團隊的視野和格局。

大格局還在于為人處世上講究“胸懷寬廣”。戴老師認為，吳澄院士嚴謹內斂、胸懷寬廣的清華作風對他影響頗多。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”。他樂于調動團隊的力量團結協作、集智攻關。2012 年，實驗室計劃研制觀測腦皮層神經成像的儀器。為解決缺少大規模團隊的問題，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團隊，實現學科交叉融合，也帶動相關院系在多個研究方向實現重要突破。

“先生之大”在于“大作為”

其一，要瞄準國家戰略重點協同攻關。近年來，實驗室研制的“兩芯一器”突破壁壘，實現了關鍵核心技術從跟跑、并跑到領跑的轉變。“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像差難題提供了新思路，將自適應光學視場范圍提升900 倍。“一器”，即高分辨光場智能成像顯微儀器，是國際上首個能實現小鼠全腦皮層范圍神經活動高分辨率成像的儀器。實驗室又研發出掃描光場顯微鏡“DAOSLIMIT”，為揭示神經、腫瘤等生命科學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”。他要求自己和團隊成員每天瀏覽數十篇、精讀一兩篇文獻，五年至少要看一萬篇，時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，他就立即著手調研，針對采集裝置需要輔助標記和周期性運動的國際難題，構建了由40 個相機和數百組光源的采集系統，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。

其三，要堅守培養人才的初心使命。他說：“在清華，沒有不好的學生，只有不好的老師。”他親自為學生制定培養計劃，從不要求學生追求文章發表數量，但強調要提出新原理、構建新裝置，并要準確說明自己在國際上的位置。他認為，“每個人都有個性，發展好了都能成國家棟梁之材。”懷抱育人初心，實驗室于2021年入選第二批全國高校黃大年式教師團隊；未來，也將在“大情懷”“大視野”“大格局”的指引下，致力于培養一批堪當重任的科技人才，為中國成為世界科學中心和創新高地做出屬于清華的“大作為”。