做问题驱使原创研究让“看见更多”成为可能——就“大先生”问题访谈戴琼海院士

□ 文/钱浩君 徐思羽 侯灵犀

戴琼海，清华大学教授，中国工程院院士，清华大学信息学院院长，北京信息科学与技术国家研究中心主任，中国人工智能学会理事长。主要学术方向为成像与智能技术、脑与认知科学，长期致力于相关领域理论和关键技术创新，主持承担了科技部重大基础研究973 项目、国家基金委重大仪器项目和基金委科学中心项目，成功研制了系列仪器与装备。目前开展的研究包括认知智能、智能光电计算和元宇宙等。

2021年4 月19 日，习近平总书记来到清华大学成像与智能技术实验室考察，对实验室展板上关于科学研究的三句话仔细品读：“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。”短短三句话，是实验室二十多年来持续奋斗的真实写照，也是习近平总书记对科学研究的充分肯定和殷殷嘱托。

戴琼海院士所带领的成像与智能技术实验室成立于2001年。成立之初，实验室主要研究流媒体技术，通过攻克关键技术，实现了互联网图片、视频的实时传输播放，使人们看得更流畅。团队聚焦流媒体传输标准转换的成果“基于融合网络的流媒体新技术”于2008 年获得国家技术发明二等奖，所研发的转码技术也为国内外多家公司采用。2004 年前后，国外陆续启动立体视频研究，戴老师敏锐地察觉到，这是中国信息技术实现源头创新、赶超发达国家的绝佳机会。团队突破多项关键技术，打破了我国视频核心技术对国外的依赖，使人们看得更清晰。“立体视频获取与重建技术及装置”项目获得2012年度国家技术发明一等奖。2012年，实验室开辟了脑科学介观成像研究的方向，研制出的“超级显微镜”RUSH 至今仍是国际上视场最大、数据通量最高的介观光学显微仪器，在国际上首次实现了活体全脑神经活动高分辨率成像，使人们看得更精微。现阶段，实验室又有了新的奋斗目标：瞄准“完美成像”这一百年难题，为更多生命科学探索创造条件。

回顾自身的科研历程，戴老师深有感触：对于科研工作者来说，科学研究的转向绝非易事。既要有“敢于跳深渊”的巨大勇气，不断寻求新挑战；更要有战略眼光，着眼世界学术前沿和重大原始创新，服务于国家重大需求。在他看来，“大先生”就是要敢于研究真问题，致力于解决实际问题。

“先生之大”在于“大情怀”

其一，是对祖国的热爱。从流媒体到立体视频再到显微仪器，实验室团队历经三次重大转向，不变的是对服务国家重大战略、解决关键“卡脖子”技术问题的坚定信念。习近平总书记听取戴老师关于实验室在光电芯片、智能成像领域最新成果的汇报后评价道：“这个突破也是不得了！”“这些都是科学研究中的要害！”戴老师说，习近平总书记的嘱托给了实验室全体科研人员最大的奋进动力，“作为清华人，我们要继续在科研道路上努力向前奔，我们有信心有决心为中国成为世界科技中心和创新高地作出清华的贡献”。对于聚焦科技前沿，开展原始创新，服务国家重大战略与经济社会发展，戴老师始终充满激情、信心满满。

其二，是对科学本源的热爱。戴老师说：“问题驱使是原创，方法驱使是改进”。知识给了我们规则，也限制了想问题的能力；跳出知识框架去想“好的问题”，才可能推动知识框架的更替。他引导学生深刻理解提出科学问题的重要性，每当有人兴冲冲地谈起其他研究方法不足，而自己的方法更快、更好时，他总会“泼泼冷水”：要求学生不要局限于简单的方法改进，而是要怀抱对自然、对科学的热爱，勇敢地探索事物本源，“做问题驱使的原创性研究”。

其三，是对长辈和晚辈的热爱。戴老师深情回忆起几位师长和挚友：博士生导师柴天佑院士一生勤勉治学，善于将各个领域的认识映射到自动控制的问题中进行研究。博士后导师李衍达院士不仅是信号处理领域的大家，更在61岁时毅然转变研究方向，成为我国生物信息学的奠基人。吴澄院士是中国计算机集成制造领域的开创者，曾协调力量推进国家重大课题。薛其坤院士既是好友也是榜样，两人经常讨论思考理学思维与工程实践的结合问题。戴老师说：“过去有老师带我，现在我带学生，二十多年来实验室一以贯之的传统就是‘老中青结合’”。习近平总书记在实验室考察时说：“中国的教育是能够培养出大师来的。”戴老师说：“我们培养的这批‘90 后’‘00 后’，一定会扛起历史重任！”

“先生之大”在于“大视野”

戴老师曾对“颠覆性研究”做出定义：一要改变科学研究的方向；二要改变产业发展的路径；三要改写教科书，即改变现有的知识框架。如何发现代表“颠覆性研究”的问题？

其一，要善于从科学本质上寻找问题，回归科学研究的本源。他说：“所有研究的最终意义都是推动全人类的发展”。科学研究，归根结底是要回答“一黑两暗三起源”的基本问题。一黑，黑洞；两暗，暗物质、暗能量；三起源，宇宙起源、生命起源、意识起源。通过“完美成像”仪器，可以让科学家看得范围更大、观测精度更高，从而有机会探测暗物质、暗能量，进而探寻宇宙起源、生命起源、意识起源，解答全人类的终极问题，这就是实验室的“星辰大海”。

其二，在思想和认识论上，要有全局性视野、战略性思维。“大先生”就得有战略科学家的视野：既能够看到相关领域内的广袤远景，也要有统一的思想认识论。科研工作就是要着眼长远，发现和解决关乎国家和人类长远发展的问题，而不能局限于讨论研究具体的方法和举措。戴老师的实验室有一间咖啡屋，其中一面墙上贴满了数理公式，公式下面有四个字：欢迎指正。这是他特意让学生打印好、贴上去的。他说，做研究就是要敢于挑战前沿，要有颠覆经典物理公式的心理准备。

其三，在研究路径的选择上，要勇于挑战未知及权威。2005 年，《科学》杂志发布全世界最前沿的125个科学问题，其中第40 个问题是：能否制造完美的光学透镜？即“完美镜头”问题：光线经过光学透镜表面传输会形成像差，导致成像模糊变形，而“完美镜头”即指没有任何像差、能实现“所见即所得”的透镜。近百年来，科学家们不断设计出更多、更复杂的镜头解决像差问题，但由于镜面加工工艺误差、系统设计缺陷、环境扰动等的影响，像差始终存在。此外，传统成像受海森堡不确定性原理限制，始终存在空间分辨率与角度分辨率之间的固有矛盾，即使有了“完美镜头”，也不一定能“完美成像”。

戴老师认为，聚焦于通过制造“完美镜头”构建成像系统，反而导致系统视野小、速度慢、结构复杂，他毅然挑战既有思路，提出研究“完美成像”问题。基于数字自适应光学原理，实验室提出了一种集成化的元成像芯片架构，通过计算性能优越的传感器弥补光学透镜直接成像的像差，实现高速大范围像差矫正，即使经过不完美的光学透镜与复杂的成像环境，依然能实现完美的三维光学成像。“‘完美镜头’聚焦于工具端，而‘完美成像’则抓住本质，是问题导向也是目标导向。”这一成果为解决光学像差这一百年难题开辟了一条新路径，将应用于天文观测、生物成像、医疗诊断等多个领域。

“先生之大”在于“大格局”

大格局在于“大道至简”的科研理念和人生信条。他崇尚爱因斯坦的格言：“不能简明地解释一件事，说明你对它懂得不够多。”在科研的道路上要善于把复杂的理论用简明的道理、简洁的语言表达出来，要把它分析成最简单的问题，最终定义到基本数理问题上。所以，他希望通过攻克“完美成像”问题，为生命科学、医学实验提供有力工具，为建立机理模型奠定基础，最终实现生命问题的数理表达。

大格局也在于道路选择上敢于“突破自我”。科学研究容易产生路径依赖和领域固化。2008 年，戴老师在立体视频研究得心应手的时候，带领团队毅然跳出信息领域，在一个半月的时间内全心投入，“闭关”研读讨论《自然》《科学》《细胞》等顶尖期刊的最新文献，最终确定材料科学与生物信息学两个新的可能的科研方向。又历经四年筹备，最终确定脑科学研究方向。通过“换道超车”，不断开拓新的研究领域，在突破自我的过程中不断拓展团队的视野和格局。

大格局还在于为人处世上讲究“胸怀宽广”。戴老师认为，吴澄院士严谨内敛、胸怀宽广的清华作风对他影响颇多。戴老师曾给自己定下一个原则：“不与清华任何一位老师竞争选题”。他乐于调动团队的力量团结协作、集智攻关。2012 年，实验室计划研制观测脑皮层神经成像的仪器。为解决缺少大规模团队的问题，他借鉴吴澄院士的办法，与精仪系、电子系、自动化系共同打造攻关团队，实现学科交叉融合，也带动相关院系在多个研究方向实现重要突破。

“先生之大”在于“大作为”

其一，要瞄准国家战略重点协同攻关。近年来，实验室研制的“两芯一器”突破壁垒，实现了关键核心技术从跟跑、并跑到领跑的转变。“两芯”，人工智能光电芯片相对于国外顶级芯片算力提升10 倍，能耗降到十分之一；光场智能成像芯片为解决光学像差难题提供了新思路，将自适应光学视场范围提升900 倍。“一器”，即高分辨光场智能成像显微仪器，是国际上首个能实现小鼠全脑皮层范围神经活动高分辨率成像的仪器。实验室又研发出扫描光场显微镜“DAOSLIMIT”，为揭示神经、肿瘤等生命科学问题提供变革性工具。

其二，要紧盯世界科技前沿不断突破。他说：“做研究要有抓手，而且一定要知道自己在国际上的定位”。他要求自己和团队成员每天浏览数十篇、精读一两篇文献，五年至少要看一万篇，时刻紧盯世界科技前沿。2004 年，他在欧洲开会，得知德国马克斯·普朗克研究所在讨论做立体视频。回国后，他就立即着手调研，针对采集装置需要辅助标记和周期性运动的国际难题，构建了由40 个相机和数百组光源的采集系统，提出稀疏重建理论与方法，并研制出立体显示芯片，成为VR/AR 和立体影视的核心技术。

其三，要坚守培养人才的初心使命。他说：“在清华，没有不好的学生，只有不好的老师。”他亲自为学生制定培养计划，从不要求学生追求文章发表数量，但强调要提出新原理、构建新装置，并要准确说明自己在国际上的位置。他认为，“每个人都有个性，发展好了都能成国家栋梁之材。”怀抱育人初心，实验室于2021年入选第二批全国高校黄大年式教师团队；未来，也将在“大情怀”“大视野”“大格局”的指引下，致力于培养一批堪当重任的科技人才，为中国成为世界科学中心和创新高地做出属于清华的“大作为”。