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用更多颠覆性创新回报祖国

人物名片 戴琼海,清华大学信息科学技术学院院长、脑与认知科学研究院院长、教授,中国人工智能学会理事长,国务院参事,中国工程院院士,长江学者特聘教授,2018年6月加入民革。 他长期从事立体视觉、计算摄像学和人工智能等领域的研究并取得世界领先成果,近年来主要从事国际交叉前沿——脑科学与新一代人工智能理论的研究,提出了多维多尺度光场智能成像理论,推动并引领了国际计算成像的发展与应用;研制了活体介观尺度显微仪器,为揭示神经、肿瘤、免疫新现象和新机理提供了变革性工具。曾获国家技术发明奖一等奖、国家科学技术进步奖二等奖等。

2021年4月19日,正值清华大学建校110周年校庆,习近平总书记来到清华大学考察并发表重要讲话。在成像与智能技术实验室,总书记听取了实验室理论研究、技术攻关、成果转化应用等情况介绍,为总书记讲解的正是民革榜样人物、中国工程院院士、清华大学信息科学技术学院院长戴琼海,回忆起那一天,他记忆深刻。“自古英雄出少年,恰逢盛世,你们要拼搏奋斗、勇攀高峰,争创一流的成果。我看好你们!”在戴琼海带领实验室团队投入到祖国需要的科研工作中去、甘坐基础研究的“冷板凳”时,总书记的这番话给了他们很大的鼓舞。“要用更多的颠覆性创新回报我们的国家,为中国成为世界科学中心和创新高地作出自己的贡献。”戴琼海说。

忘我工作

“把24小时当成25小时来过”

戴琼海的一天很充实。

早上,他一般会7点之前到达办公室,利用两个小时左右的时间,跟踪国际前沿领域科研情况、布置科研任务及统筹进度等,随后参加重要的行政会议、与来访人员交流等;

下午,除了已安排好的行政工作外,他会参加不同科研小组的科研组会,了解工作进展,与同学们深入探讨科研问题并进行思想方面的交流等;

“晚上的时间比较充足和安静,我基本上都会专注于国际前沿文章的阅读、分析和思考,有了新的想法马上跟同学们交流和讨论。”戴琼海说,之后的时间都是对新问题的再思考,颠覆性、创新性在哪里,实现路径如何等,“这部分工作没有确定的时间,所以实验室同学们经常会在凌晨收到我的消息。”实验室里的年轻人说,在晚上10点、12点,凌晨2点、4点都收到过戴老师有了奇思妙想后发来的微信:“有空吗?”这样的工作习惯,戴琼海维持了二十多年。

二十年来,戴琼海领衔实验室团队,面向国家重大需求,瞄准计算成像、脑科学与人工智能国际交叉前沿,开展基础理论与关键技术研究。团队提出了多维多尺度光场智能成像理论等,多项原始创新成果引领本领域国际前沿。瞩目成就,来之不易。清华大学中央主楼的724和725房间是实验室的“根据地”,大家对这两个房间号有着非常励志的解读:“724”,就是抓紧每周7天、每天24小时连轴转;“725”则要在此基础上,把24小时当成25小时来过。戴琼海如此,团队成员亦是如此,这已经成为大家的作息习惯。

勇于挑战

“一定要做最具原创性的研究”

曾经,人们在互联网上下载图片、视频时,要等待内容完全下载完毕才能观看,但是现在无需等待下载完成,就能一边下载一边观看。这个转变发生的基础就是流媒体技术。上世纪90年代,国际上流媒体编码技术发展迅速,但我国在这一领域却缺乏属于自己的知识产权,跨国公司仅专利费每年就从中国获利高达数十亿美元。进入21世纪后,欧盟、美国、日本的立体视频研究项目陆续启动,引发了世界各国在信息显示技术领域新一轮的角逐。

戴琼海

纵观戴琼海多年来的科研生涯,有一个关键词格外突出,那就是“挑战”。此时的他已经在流媒体技术领域取得了不小的成就,研究成果“基于融合网络的流媒体新技术”获得了国家科技发明二等奖。但是,当戴琼海通过一系列深入调研,敏锐发觉立体视频的时代即将到来时,他果断选择了向这个领域寻求新的挑战,和团队一头扎进立体视频技术研究的汪洋大海。“这是我国信息技术实现源头创新、赶超发达国家的一次绝佳契机。”他说。

彼时立体视频刚刚兴起,这股风潮正在席卷全球,戴琼海却始终告诫团队师生:“不要盲目跟着别人做,一定要做最具原创性的研究。”

戴琼海介绍说,立体视频与平面视频最大的区别在于它不仅是解码过程,而是利用多视角信息重构具有纵深感的视频内容,涉及从理论到应用、从内容到显示的一系列难题,而通过现实场景对象采集的多视图像来重建高真实感的三维模型几何和纹理,是首要的核心问题。

起初团队搭建了容纳64个相机的多视角采集系统,能实现立体效果,但立体感不足。从理论上来说,视角越密立体感越好,但过多的视角又导致数据量庞大很难处理。针对这一矛盾,团队将“光度立体”与多视图匹配相结合,在国际上首次提出视觉场理论,不仅减少了采集视角的数量,而且使建模精度得到了质的提升。到2010年,基于该系统实现的三维建模误差仅小于0.3毫米,在由美国国家科学基金会(NSF)等多家权威机构组织的国际评测中重建精度排名第一。

科研工作者研究领域的转向绝非一件轻松的事情。当代的科学研究是一个复杂庞大的协作网络,每一位科学家都处在细分的研究领域中,切换研究领域则经常意味着从零开始。戴琼海不仅多次主动转换研究领域,而且多是在原有领域已经取得重大成就后,又在新的领域作出更大成就,这需要智慧,也需要巨大的自信和勇气。

探索未知

“为生命科学规律观测提供利器”

当前,以人工智能、大数据为代表的新一轮技术与产业革命正在给人类社会的生产和生活方式带来深刻影响,以深度学习为代表的人工智能推动了科技、医疗、电子、金融等行业的快速发展。然而人工智能并非“无所不能”,而是仍有其局限性。“在人工智能领域,有一个莫拉维克悖论,”戴琼海告诉记者,即“困难的问题是可能易解的,简单的问题反而可能是难解的。”比如人工智能在围棋这样的智力运动上已经超越人类,但是执行一些简单的任务,如把一个箱子从地上搬到桌上,却很容易失败。“人工智能能干成年人干的活,但理解能力不如一岁的孩子。”戴琼海用一个生动的比喻来解释人工智能难以理解场景与对象间的关系。

人工智能还有很多瓶颈问题要解决。要实现强人工智能,就离不开对生物智能的借鉴,“其中,脑科学是关键。”戴琼海说。回顾历史,人工智能领域的很多重要工作,都有脑科学作为基础,而人工智能想要进一步突破,从脑科学中寻找线索尤为重要。“如果有机会了解全脑,那会为人工智能带来多大的变化?”在他看来,实现全脑范围、神经元分辨率的大脑活动实时动态观测与解析,有助于人们更深入、全面地揭示智能的基本机理,从而启发人工智能理论的突破。

神经元的多少代表了聪明的程度,小鼠有亿级的神经元,恒河猴有百亿的神经元,人类有千亿级的神经元。观测神经元并不是一件易事,但在戴琼海领衔的清华大学成像与智能技术实验室里,有一台仪器可以做到。它就是实验室自主研制、世界领先的高分辨光场智能成像显微仪器——“RUSH”,在国际上首次实现活体全脑神经成像。“为生命科学规律的观测提供了利器。”戴琼海评价道。在“RUSH”助力下,生命科学领域的探索者已陆续取得多项重要科研成果。

“科技工作者们既要勇于突破创新,也要注重国家与人民的需求。”当进一步谈起人工智能技术如何落地服务社会时,戴琼海说,对于技术应用的监管也很有必要,比如现在人工智能在落地中,仍面临一些社会和伦理问题,这需要国家适时地出台相关的法律政策,给予规范和引导,保证技术向善。

“我曾对团队的老师和同学们讲‘理学思维融合工科实践,交叉领域践行原始创新’,我们不仅要在理论上有重大突破,更要在实践中让创新成果落地,这样才是好的研究,才能服务社会。”戴琼海是这样说的,也是这样做的。他和实验室团队一直紧紧围绕总书记强调的“四个面向”开展研究。“比如我们的‘两芯一器’,践行原始创新,走到世界科技最前沿。”他举例道,光电芯片,颠覆AI计算,进击国民经济主战场;成像芯片,服务边海空防,锤炼国家安全杀手锏;显微仪器,助力生物医药,打造人民健康破冰船。

铸魂育人

“引导团队开展‘颠覆性研究’”

“我们一开始做的是流媒体,后来做立体,现在主要在做生命科学的仪器。”戴琼海这样介绍自己的团队。就在今年初,他领衔的清华大学成像与智能技术实验室教师团队入选第二批全国高校黄大年式教师团队。多年来,团队始终秉承“理学思维融合工科实践,交叉领域践行原始创新”的科研理念,围绕“四个面向”确定科研选题,培养“境界高、眼光远、胸怀宽”的科研人才。

2008年,实验室布局信息与脑科学交叉研究方向,“当时的目标是做世界上最强大的显微镜”,就是后来那台让研究员在1平方厘米的范围内观察活体小鼠大脑的仪器“RUSH”。“我让当时才三十出头的范静涛研究员来挑这个大梁。”戴琼海让团队里的年轻人挑起重任。从2014年到2019年,实验室成功研制出“RUSH”,相关工作发表在光学顶级期刊Nature Photonics,还吸引了大批国际知名实验室前来寻求合作。

对于自己学生的成就,戴琼海如数家珍。多年来,团队累计培养博士后24人、博士44人、硕士88人,累计为国内高校输送逾30名教师。团队发表在《细胞》《自然》系列子刊等刊物中的论文500余篇,授权国内外发明专利500余项,对外转化百余项,曾获国家技术发明一等奖、二等奖各一项,以及一系列省部级奖励。

“我一直在引导团队的年轻教师和同学们开展‘颠覆性研究’。”这些耀眼成就的背后,是戴琼海一直以来秉持的理念。他认为,所谓“颠覆性研究”有三个标准:是否改变了科学研究的路径,是否改变了产业发展的方向,是否可以写进教科书。简而言之,就是要尽可能想别人没想过的、做别人没做过的、最原创的“从0到1”问题。

在戴琼海的眼中,从问题出发才是创新,自己的学生必须是立足于创新的,任何对别人的跟随都只能是一种训练,而不是真正的工作。“我相信我们实验室会有越来越多的同学提出0-1问题、挑战0-1问题、解决0-1问题,用更多的颠覆性创新回报我们的国家。”他说。(秦 雪 邱 凌)

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