戴琼海院士团队：智能十年，自强不息！（中胤时尚）

「智能十年 ·自强不息」

“为中国成为世界科学中心和

创新高地做出自己的贡献”

这是清华大学成像与智能技术实验室

对自身科研的严格要求

也是整个团队的科研理想

20年前团队开始建立

不断攻坚克难取得重大突破

从国家技术发明一等奖

到500余篇团队论文

既面向前沿科学

又追求成果落地

既寻求世界级话语权

又面向国家重大需求

让我们跟随戴琼海院士团队

感受“两芯一器”的研发历程

了解国家利器的诞生之路



“为中国成为世界科学中心和

创新高地作出自己的贡献！”
“为中国成为世界科学中心和创新高地作出自己的贡献”
，这是清华大学自动化系成像与智能技术实验室门口的屏幕上24小时显示着的一句话，是戴琼海院士在科研道路上对自身的严格要求，也是他赋予整个团队的期望与使命。

（图略：潘院士陪（*）参观成果展示）




时光退回到20余年以前，回到实验室成立之初，在原本并不擅长甚至是落后的领域，想要占领高地、实现领跑，又谈何容易。

成像与智能技术实验室成立于2001年，初期主要围绕流媒体开展研究，承担了国家多个重要的流媒体项目。这一阶段，是实验室由工程实践向科学研究的转变阶段，属于“跟跑”
阶段。

2002年左右，立体视觉的研究和应用在国际上逐步兴起，国内的相关研究尚未成型，核心技术和专利基本被国外垄断。此时，戴琼海院士提出要转变科研思路，瞄准国家重大需求与国际研究前沿，围绕计算摄像和立体视觉开展研究。历经十年不懈攻关，从学模仿到自主探索，实验室在立体视觉采集、建模、显示全流程上达到了国际领先水平，打破了国际垄断，相关成果于2012年获得国家技术发明一等奖。这一阶段，是实验室在相关领域追赶国际领先的阶段，属于
“并跑”
阶段。
“一些人绕过问题，我想去解决问题。”“一些人绕过问题，我想去解决问题”，这是人民日报海外版“走进清华大学成像与智能技术实验室”专题报道的标题文字，是实验室博士生李欣阳面对采访时不经意间的自然流露，也是实验室每一位老师和同学内心深处的坚持。

（图略：*与潘院士在实验室亲切交谈）



2008年，戴琼海院士团队在总结过去十年的科研经验，展望国际研究前沿时注意到，要想实现原始创新和全面突破，迫切需要在更基础的领域进行攻关，带动一批技术和应用的发展。当时，人工智能的新浪 潮正在兴起，而人工智能的基础领域是生物脑的智能，对脑的观测和对脑机理智能的解析将是发现颠覆性理论的突破口。

戴琼海院士说，过去的100余年里，有

20多项诺贝尔奖的研究与脑科学有关，而在医学影像界，仅核磁共振技术就成就了多位诺贝尔奖得主，这说明全球科学界对脑科学研究的重视，也说明该领域有太多“颠覆性研究”值得探索。成年人的大脑中有近1000亿个神经元，每个神经元又包含很多突触与其他神经元连接，且这种连接关系处于动态变化之中。如此复杂的网络结构，使得与脑相关的观测与研究困难重重，但意义重大。


2013年，成像与智能技术实验室前瞻性地调整战略方向，致力于研制具有国际领先水平的脑观测成像仪器，以决胜人工智能基础研究赛道。在此之前，脑观测仪器始终存在着两个难以调和的矛盾：微观仪器可以看清神经元，但看不清全脑；宏观仪器能看清全脑，但无法分辨神经元。“所以我们需要新的介观尺度仪器，在清晰度上尽量向微观靠近，分辨率越高越好；在视场上尽量向宏观靠近，观测范围越大越好。”实验室副研究员范静涛老师说，世界上很多顶尖科研团队都想研究类似的仪器，但此前的成果都没有尽善尽美，在视场、分辨率、成像速度三个衡量尺度下，想做到全方位提升非常困难。

然而戴琼海院士团队决定要迎难而上。2013年申请国家自然科学基金重大仪器专项并获得支持，历经数年无论文、无关注的“冷板凳”式攻关后，2017年，“超级显微镜”——第一代介观全脑显微仪器RUSH诞生，其名字取自英文实时（Real-time）、极大范围（Ultra-large-Scale）和高分辨率（High-resolution），这三个词语准确描述了RUSH的性能：视场大小为1厘米×1.2厘米，分辨率800纳米，成像帧率30帧/秒，每帧图像1.69亿像素。这意味着，RUSH的一帧图像便足以铺满24个4K显示器。





一年后，第二代RUSH仪器经过优化，分辨率提高至396纳米，每帧图像有3.36亿像素，数据通量达到每秒100.8亿像素，相当于每秒传输7部高清电影。

当时，世界上排名第二的双光子随机扫描显微镜刚刚触及每秒千万像素的门槛，RUSH仪器使我国实现了国际脑科学领域的“领跑”，许多国际同行开始向清华、向中国寻求合作，我国在尖端科技领域拥有了更多话语权。
“每个人都有自己擅长的，
要把长板发挥得越长越好”“每个人都有自己擅长的，要把长板发挥得越长越好”，这是成像与智能技术实验室助理教授吴嘉敏对团队科研经验的总结。2014年，吴嘉敏以博士生身份加入戴琼海院士团队，在自己所擅长的光学领域为团队作出了巨大贡献，而“各取所长”“学科交叉”正是该团队重要的标签。



在实验室门口的屏幕上，有这样一段话：理学思维融合工科实践，交叉领域践行原始创新；基础研究领跑科学前沿，科技报国培养一流人才；原创仪器引领国际合作，自主芯片支撑寓军于民。*前来实验室参观时也曾提到：“重大原始创新成果往往萌发于深厚的基础研究，产生于学科交叉领域。”实验室在自身现有知识背景和技术条件下，广泛探索前沿发展方向，并在多个领域取得重大突破或达到世界领先水平，其“两芯一器”引领了国际前沿。

其中，“一器”正是指前文所提到的显微仪器RUSH。而在RUSH横空出世以后，实验团队进一步提出了扫描光场显微成像原理，建立了数字自适应光学架构，研发了扫描光场显微仪器DAOSLIMIT，将活体显微成像的时空分辨率提升了100倍，光毒性降低了1000倍，以6小时、100赫兹、三维亚细胞分辨率创造了活体显微观测的世界纪录。这一成果支撑了肿瘤转移、免疫反应等国际前沿基础科学研究，发现了哺乳动物体内迁移体的起源与功能、肿瘤转移与免疫反应中的细胞交互机制，在国际上填补了高端仪器在肿瘤和免疫中的空白，构建了具备自主知识产权的显微仪器体系。其相关成果发表于《细胞》杂志。

而“两芯”的第一芯，指的是人工智能光电芯片。该芯片突破传统电子计算长延时、高功耗等技术瓶颈，样片相对于国外顶级芯片算力提升10倍，能耗降低10倍（每瓦十亿次）。未来，其算力有望提升1000倍（3个数量级），能耗下降百万倍（6个数量级）。其相关成果发表于《自然·光子学》等期刊。
“两芯”的第二芯，指的是光场智能成像芯片。这一芯片能大幅度提升远距离模糊对象的影像质量，提升天文观测精度，突破远距离观测存在环境像差的桎梏。在国家天文台兴隆观测站进行的地对月40万公里观测实验中，光场智能成像芯片将米级口径望远镜的自适应视野从30角秒扩展到1800角秒，视场范围扩展了2个数量级。

截至2021年底，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。团队发表论文500余篇，其中不少高水平成果发表于《细胞》《自然》期刊或子刊上，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，国家科技进步二等奖1项以及一系列省部级奖励，2021年团队入选第二批“全国高校黄大年式教师团队”。
“磨剑何止十年！”“磨剑何止十年”，这是来自清华大学自动化系副研究员范静涛对于科研初心与坚持理想的感慨，也代表了这十年清华人一路走来对探索尖端领域，引领国际前沿执着追求。





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