▎編者按

中國古代著名詩人屈原在他的作品《天問》中曾經思考過：“羲和之未揚，若華何光”，在漆黑夜里清晰看見事物的能力，長久以來一直是人類渴望擁有的神奇力量。它不僅對計算機視覺、遙感技術具有重大的意義，也對我們日常生活中超越晝夜之間的二元對立具有深遠的影響。西湖大學的鮑芳琳教授在這一領域取得了重大突破，讓我們更接近一個可以將夜晚變成白晝的世界。他在高光譜熱雷達（熱輔助探測和測距）以及夜視方面的開創性研究，于2023年7月26日被《自然》雜志選為封面報道。（《Nature | “高光譜熱雷達”革新未來機器視覺》）

鮑芳琳，出生于浙江省淳安縣。2011年他畢業于浙江大學，獲得物理學學士學位，2016年獲得光學博士學位。2012年，他以交流學者的身份訪問了香港中文大學。2019年，他轉入普渡大學從事博士后研究工作。2021年，他隨后成為了普渡大學的研究助理教授。2024年1月他入職西湖大學，擔任助理教授。他提出并實現了高光譜熱雷達（熱輔助探測和測距），闡明并克服了傳統熱成像中的“鬼影效應”。高光譜熱雷達研究成為《自然》雜志的封面文章，并被《自然》“新聞與觀點”欄目、《科學》“新聞”欄目、《自然-光子學》“新聞與觀點”欄目報道。

「受訪者」：鮑芳琳教授（西湖大學）

「采訪者」：王勣（西湖大學）

「原文信息」：Wang, J. Light People: Professor Fanglin Bao and his cover story. Light Sci Appl 13, 115 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01434-0

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Q：您能夠概述一下自己的科學背景和研究經驗嗎？您未來的研究目標和志趣是什么？

A：我在浙江大學獲得了物理學學士學位和光學博士學位。在攻讀博士學位期間，我在香港中文大學交換了半年。在加入西湖大學之前，我在普渡大學從事科學研究。

在我早期的職業生涯中，我對近場量子光學效應很感興趣，例如卡西米爾效應和超級普朗克效應。卡西米爾效應描述了真空中的量子漲落如何導致電磁相互作用。在經典物理學中，這種相互作用在電荷中性物體之間是不存在的。我專注于探索這些效應及其在新型光學超材料系統中的新特性。其中一個有趣的發現是卡西米爾輸運效應，即量子懸浮中的納米粒子可以由側向的卡西米爾力推動，形成納米級的“磁懸浮列車”。

在普渡大學的5年里，我的研究更多地聚焦于經典和量子光學傳感，特別是熱光源方面，涉及信息理論、基于超表面的新型傳感模式，以及用于從熱光中提取信息的量子啟發算法。我的代表作之一是高光譜熱雷達（熱輔助探測和測距），它利用了熱光子和信息理論，能夠在漆黑的夜里清晰地看到事物，就像在明亮的白天一樣。正是在研究期間，我探索了人工智能（AI）領域，并獲得了寶貴的專業知識。我看到了人工智能如何解決復雜的物理問題，以及物理定律如何預測人工智能的性能。我未來的研究計劃都深深根植于這些經驗之中。

我一加入西湖大學，就已經準備好成立一個研究小組，專注于熱雷達（HADAR）以及人工智能（AI）物理。我們如何利用人工智能來發現新的物理定律？我們如何借助物理學來理解和改進人工智能？由物理學定律設定的人工智能的經典極限和量子極限是什么？這些引人深思的問題將指引團隊進入物理學的下一個前沿領域。

鮑芳琳博士在普渡大學祖賓·雅各布教授的研究團隊里

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Q：請問是什么激發您深入探索科學世界？您認為一位優秀科學家應具備的品質最重要的有哪些？

A：在我上中小學時，不只有戶外活動能給我帶來樂趣，我的內心還開始萌發了一種渴望。我的腦海里出現了一幅模糊的畫面：一位老先生和一塊黑板，他僅用一支粉筆就能解釋世間的萬事萬物。我希望有一天我能夠成為這樣的先生。當我開始大學之旅時，我才意識到由于信息爆炸式增長，一個人完全掌握各個領域的知識是不切實際的。然而，正是科學家們的不懈努力，知識的邊界才得以不斷拓展。我認為，正是這種信念的力量，才讓自己成為了一名年輕的科學家。

話雖如此，科學家的道路從不平坦，有時會遭遇艱難險阻，唯有堅韌不拔的精神才能戰勝萬難；有時小路曲折崎嶇，而對知識的渴望激勵我勇往直前。我渴望提出正確的問題，并有更多造福世人的發現。

仰望過去的偉大科學家們，不難發現，面對科學難題，他們都堅持誠實的科學態度。例如，馬克斯·普朗克承認，即使在他提出了電磁輻射場能量的量子化之后，他仍無法完全理解“量子”的概念。理查德·費曼也曾說：“永遠不要欺騙自己，并記住，你是最容易受騙的人”，你對科學以誠相待，才能發現宇宙的真相。

簡而言之，除了科學誠信，科學信念、科學毅力、科學創造力和科學好奇心都是偉大科學家之所以成功和有影響力的原因。

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Q： 您的科學研究論文最近被世界頂尖的多學科研究期刊《自然》選為封面文章。您是如何提出這個新穎的想法——高光譜熱雷達（熱輔助探測和測距）的呢？您在工作中使用了哪些具體的科學技術或方法？您在研究中是如何進行實驗設計和數據分析的？您在研究過程中又是如何處理意想不到的結果的？

A：“高光譜熱雷達（HADAR）”的工作幾乎占據了我在普渡大學度過的整個時光。有趣的是，術語“熱輔助探測和測距”和首字母縮寫“HADAR”，早在我去普渡大學之前就已經被發明出來了。我搬到美國西拉斐特的第一周，我的導師祖賓·雅各布在他的辦公室里，在一張草稿紙上，寫下“HADAR”這個詞，并向我解釋了他心中的一個小項目。或許像大多數人一樣，我對這個詞感到有點震驚，實話實說，“高光譜熱雷達（HADAR）”是一個好名字。

我們當時都不是紅外遙感方面的專家。祖賓教授最初的想法是在機器學習的幫助下，利用紅外輻射光譜對材料進行分類。我們認為這種新穎的“高光譜熱雷達（熱輔助探測和測距）”相對于傳統的“激光雷達”（光探測和測距裝置）、“無線電雷達”（無線電探測和測距裝置）或“聲吶”（聲音導航和測距裝置）的優勢，就在于它的材料信息。我最初的計劃是在3個月內完成這個初創的項目，同時適應新的國外環境。

很快，我發現用紅外光譜來分類材料的想法在多年前就被報道過了。我的腦海里浮現出幾個問題：“我們應該放棄這個小項目嗎？我們可否就添加探測和測距功能來結束這個項目，并轉向新的項目？等一等。那我們怎么測距呢？”直到現在，我仍然為自己從一開始就堅持下來并進一步完成了自己的研究而感到高興。在紅外熱成像中，“鬼影效應”是一種長期存在的重要的光學現象。眾所周知，它導致熱成像變得模糊、無紋理，從而無法實現立體視覺。如果我們保持高光譜熱雷達被動傳感模式并依賴于立體視覺，那么熱測距確實是瓶頸所在。這時項目變得越來越有趣，3個月后，我們決定繼續這一項研究工作。

經過一些分析，我終于理解了“鬼影效應”，并提出了使用TeX視覺來克服它。TeX視覺從雜亂的熱信號中理順了溫度（T）、輻射率（e）和紋理（X）等物理量，并以模擬白天光學成像的方式將它們可視化。總的來說，TeX視覺成為一種夜視技術，借助它，我們可以在完全黑暗的環境下實現與白天一樣的明亮的視覺體驗，而且通過恢復圖像的紋理，基于TeX視覺的高光譜熱雷達測距成為可能。TeX視覺是高光譜熱雷達最終版本的核心。我們花費了4年的時間，才最終完成這個“小”項目。

那些年，我們在伯克納米技術中心的討論，以及所有合作者的貢獻，才促成高光譜熱雷達現在的形態。

清楚地說，為了從熱信號中提取信息，我建立了一個逆向的物理模型，說明溫度（T）、輻射率（e）和紋理（X）物理量在信號中發揮的重要作用。為了高效地將熱信號分解成溫度（T）、輻射率（e）和紋理（X）成分，我進一步開發了TeX-SGD（半全局分解）算法，后來我們又開發了機器學習算法——TeX網絡。這些算法生成了我們迄今為止在TeX中獲得的所有視覺結果。此外，為了廣泛測試我們的理論和算法，我們要建立一個數據庫。我與一些計算機圖形學專家合作，將紅外物理學納入蒙特卡洛路徑追蹤中。我們花費了半年多的時間最終建立了世界上第一個長波紅外立體和高光譜成像數據庫——高光譜熱雷達數據庫。在我們確立了高光譜熱雷達的實際工作原理之后，我們轉向揭示其基本極限。我為此推導出了高光譜熱雷達探測和高光譜熱雷達測距的信息理論極限，并驗證了它們在描述人工智能性能方面的有效性。

我們在實驗室建造了高光譜熱雷達原型-1，并與更多專業人士合作建造了高光譜熱雷達原型-2。我們在普渡大學進行現場測試和數據收集的那一周經歷，確實讓人難以忘懷，不過，我也耗費了一個多月的時間來精心策劃和設計現場測試實驗。為了展示高光譜熱雷達在恢復紋理方面的優勢，我們需要找到合適的場景。這些場景包含不同類型的熱紋理，其長度尺度必須與傳感器分辨率相匹配。我進行了仔細的計算，并對大拉斐特地區內的戶外場景進行了勘測，最終將我們的試驗地點縮小到正確的位置。

我們的高光譜熱雷達理論需要一個手動輸入的材料庫。這個材料庫對于闡明我們的想法非常有用，但在現實世界的實驗中進行采集并不容易。如果沒有材料庫的實驗數據，我們將如何實現高光譜熱雷達呢？我們已經為解決這個難題，苦苦掙扎了數月之久。最終，我想出了一個從高光譜成像數據本身估計材料庫的辦法，從而不再需要手動輸入。

Tex夜間視覺
圖源：《自然》

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Q：您的發現可以應用在哪些方面？您能否對其更廣泛的意義進行更加詳細的闡述？這項研究還有哪些不足？

A：在高光譜熱雷達的研究論文中，我們將它呈現為人工智能機器感知的一種范式轉變。自主導航是利用高光譜熱雷達夜視功能的首要應用，自動駕駛汽車可以在夜間像白天一樣導航。高光譜熱雷達也可以用于智能醫療保健領域，用于夜間患者的監護。此外，高光譜熱雷達還可以用于野生動物監測，因為大多數野生動物只在夜間活動。然而，高光譜熱雷達遠不止夜視方面的優勢，它可以提供對場景的全面理解。例如，高光譜熱雷達能識別材料，精確測量溫度，具備超越人類的能力。高光譜熱雷達通過獲取額外的物理信息，從而促成人工智能機器視覺的革命性進步。

除了這些具體的應用之外，高光譜熱雷達最顯著的意義在于它激發了我們對白天和黑夜的重新思考。經過數百萬年的進化，我們已經完全習慣了白天和黑夜之間的對立存在。但是夜晚和黑暗是不可避免的嗎？我們能否將夜晚變成白天？如果借助人工智能，我們每天都能擁有24小時的白晝視覺，那么我們的生活將會是怎樣的呢？我們是否仍然需要依賴燈具和路燈呢？我們對高光譜熱雷達的開發啟發了這一想象。至少，有一件事是我們可以確定的：人工智能沒有經歷生物進化，也不應該受到日夜輪換的困擾！

高光譜熱雷達需要長波紅外高光譜成像。在實驗操作中，這是極具挑戰性的。現有的紅外高光譜相機，例如Telops，尺寸龐大得就像微波爐一樣，而它們需要大約10秒才能記錄下一幀高質量的數據。這些相機由于響應速度慢，無法捕捉到許多日常事件和運動中的普通物體。此外，由于缺乏大量的真實數據，我們的機器學習算法——TeX網絡在很大程度上受限于合成數據。為了充分利用機器學習的優勢，縮小不同實驗場景之間的域差異至關重要。針對這些不足，我們必須尋求解決和改進的方法，這也是我未來研究的一個方向。

高光譜熱雷達的現場測試實驗正在進行中

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Q：研究之余，您有什么業余愛好呢？您是如何平衡工作和生活的？

A：我喜歡徒步旅行和踢足球。和家人一起，我也喜歡打羽毛球或者看電影。在我女兒出生之前，平衡研究工作和生活，從來都不是什么問題。2021年，我的女兒在美國出生，當時正值新冠疫情流行，不幸的是，女兒對雞蛋和牛奶過敏，對于我和我的妻子來說，在病毒、過敏原的包圍之中，特別是找不到日托中心的時候，照顧她是一個巨大的挑戰。這也是我們決定回到中國的原因。在中國，我們容易獲得醫療保健服務，并且得到家庭的更多支持。隨著女兒每天健康成長，我感到更有活力和動力重返正常的研究生活。

父與女在印第安納波利斯動物園附近

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Q：2024年初，您成功加入了中國頂尖研究型高校——西湖大學的理學院。您目前有什么樣的體驗？

A：早在我去普渡大學從事博士后研究之前，我就聽說西湖大學了。那些年來，我目睹了“西湖”如何從一個概念逐漸發展成為一所真正的頂尖級大學。鑒于西湖大學的名望，我很難想象自己也能成為其中的一員，尤其是考慮到自己多學科背景與傳統物理學的主流略有偏差。通常情況下，在申請教職時，具有多學科背景的人可能會比更具有專業背景的人，面臨更大的困難或阻礙。然而，在我提交入職申請后，我很快發現，自己經歷了十分專業的招聘流程。2023年12月15日，我在西湖大學參加面試，并于2024年1月15日加入西湖大學理學院。西湖大學在決策和文書處理方面的高效率令人印象深刻。我也很高興看到西湖大學對新的跨學科研究方向持開放和友好態度。

在過去的一個月里，我參觀了不少實驗室，與多位獨立研究員進行了交談，在美麗的校園徜徉。寧靜的校園環境里，有如此多的先進設備在運行，這里是前沿研究蓬勃發展的地方，這里給我留下了深刻印象，我對西湖大學以科學家為中心的研究型大學文化深感喜愛。

最近，我還有機會通過講課與西湖大學的本科生互動。與中國其他大學不同，在西湖大學，所有的授課都是用英語進行的。這些青年人充滿活力，對課程內容理解深刻。我很高興地發現許多學生達到了世界一流大學學生的水平。

西湖大學理學院

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Q：在您看來，是什么吸引了國內外的研究人員或學生選擇在西湖大學展開學術之旅？

A：西湖大學提供了優越的科學研究平臺。它是由一批知名科學家領導，充滿競爭力的年輕教職員工組成的。西湖大學大力支持年輕科學家，清除了許多繁瑣的障礙，使他們能夠專注于科學研究。

西湖大學擁有國際化的背景。它倡導科學創新，呼吁為全球科學與文明作出貢獻，這是令人鼓舞的。我相信西湖大學是中國和海外學者學術事業發展的理想平臺。

對于渴望學習科學知識，尤其是希望追求學術事業的學生來說，這樣強大的學術氛圍是有益的。在全球頂尖實驗室的國際環境中從事科學研究的經歷，對學生的早期職業生涯而言是一項寶貴的資產和資歷。

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Q：您會向今天年輕的科學學生提供什么樣的建議？在培養下一代研究人員時，您會采取什么樣的方法，接受什么樣的挑戰？

A：我會說，請擁有批判精神和獨立性思維吧；當你獨自從事前所未有的研究時，即使沒有人能陪伴你，也請勇敢前行。

我的團隊將從事人工智能物理學的研究，那么我想用一個簡單的機器學習例子來說明我的教育理念。在機器學習中，主要有兩種方法：監督學習和無監督學習。監督學習提供了大量的配套問題和答案，并為采取行動提供了明確的指導，以確保達到標準化。然而，它被認為是最基礎的訓練方法，無法實現我們真正的智力認知。另一方面，無監督學習在沒有使用“標準答案”的情況下進行操作。盡管它需要更高級的訓練策略，但它訓練出的模型會給人留下深刻的印象。我將采用一種“無監督”的方式進行監督。

鮑芳琳教授及其團隊在西湖大學

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Q：您是如何及時了解自己領域內的最新進展的呢？您認為像《自然》這樣的知名期刊會選用什么樣的主題作為封面報道？

A：為了跟上自己領域的最新發展，我閱讀論文，參加研討會，與合作者討論。我也喜歡閱讀大量的書籍。聰明的頭腦及其獨特的觀點，即使是來自不同領域的，也能在我的工作和生活中給予我靈感。然而，一旦在某個領域深耕，我希望專注于自己的想法。

根據我有限的經驗，《自然》雜志接受的各種主題的論文都同樣有機會成為封面報道。根據《自然》雜志的政策，封面圖片的選擇更多考慮的是它的審美吸引力，而不是它的科學內容。而在準備封面圖片時，我確實獲得一些值得分享的淺見。封面圖片和封面報道將以最直接、最具包容性的方式吸引廣泛的受眾，包括非科學領域的普通大眾。當讀者瀏覽《自然》或《科學》等頂級期刊以往的封面圖片時，他們不禁會欣賞其藝術和科學的精妙結合。另外，讀者一眼就會被這些引人入勝的視覺效果所吸引，從而激發他們對文章內容的深入探索。選擇一張引人注目的封面圖片并不容易，因為科學家們通常生活在“動量空間”中，在這個潛在的世界里，術語是他們的日常語言，可愛的貓咪顯得古怪；而普通大眾則生活在現實世界中。“動量空間”里的抽象發現與它們在現實世界中的具體影響之間建立聯系十分重要。

從這個意義上說，從公眾非常感興趣的話題入手，可以更加輕松地深入探索“動量空間”并帶回新的科學發現。除了我們提出的夜視技術，我閱讀了近期的封面報道，這些報道涵蓋各種各樣的話題，例如年輕恒星是如何形成的、曾棲息在中國的三米高巨猿是如何滅絕的，以及野火引發的空氣污染有什么樣的影響。

高光譜熱雷達研究被選為《自然》雜志的封面文章
圖源：《自然》

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Q：您是如何向科學專業和非科學專業的受眾介紹你們的研究成果的呢？

A：過去，我主要通過學術會議傳播自己的研究成果，這是科學交流的重要途徑。然而，隨著研究的進展，為了接觸到更廣泛的受眾，包括科學界之外的人群，我打算建立博客和個人網頁等平臺。

首先，這些平臺為我們提供了機會，讓我們以更受讀者歡迎的方式來傳播自己研究成果。用普通人易于理解的語言來講述我們的發現，我們可以彌合科學與普通大眾之間的鴻溝，讓更多人認識和理解我們的工作。其次，博客和個人網頁還允許更加動態和交互式的思想交流。它們提供了讓讀者參與討論、提出問題和提供見解的空間，從而以更具包容性和合作性的方式促進科學的普及。這種雙向交流讓我們能夠從擁有不同背景和專業知識的個人那里獲得寶貴的見解。

▎參考文獻

1. 鮑芳琳 等：“熱輔助探測與測距”，《自然》，2023年第619卷，第743-748頁（封面文章）。

▎本期特邀通訊員

王勣：西湖大學理學院翻譯、審校，翻譯《透視教育時尚》（外語教學與研究出版社）、審校《光子之舞》（中信出版集團）等書。