张立华:逐梦未知

撰文 | 李大斗   采访 | 张丹   来源:《科学家》   发布时间:2022-05-13

导读:2021年,元宇宙成为各界广泛关注的热点。其概念触发了人们对未来的幻想,吸引了众多目光。作为数字经济的一部分,元宇宙被认为是以3D、虚拟现实为特征的互联网的下一个新形态,更是掀起了投资界的热潮。

  在元宇宙蓄势待发的今天,许多人都在冷静客观地思考元宇宙将如何应用落地,未来又将何去何从,如何切实推动人类社会进步,改变我们的生活。复旦大学特聘教授、智能机器人研究院常务副院长张立华就是其中一位。
  

学科交叉

——多一种眼光,多一个视角

  张立华有很丰富的学科交叉背景,对未知世界的好奇,让他在科研这条路上一直保持着永不止息的探索热情。
  这份热情可能源自天赋,也可能源自母校清华大学对他的启蒙。在自动化系自动控制专业读大二开始,他已走进实验室,开始尝试不同的研究。大三时入选校级优秀生的他已获得选择导师的机会,跟随后来的控制理论与技术研究所所长徐文立教授从事计算机视觉相关研究直到博士毕业,他一步步迈入科学研究的殿堂。
  在校期间,张立华参加了北京市大学生物理竞赛并获得了第一名,参与了多个软硬件结合的相关横向课题,多次参加清华挑战杯学生科技竞赛并获奖,还被评为自动化系学生科技十杰,科研能力得到全方位提升。毕业时,他更获得了清华大学优秀博士学位论文奖及优秀博士毕业生的称号。
  在校的出色表现,让他有机会留校任教,但当时想去外面看看的想法在张立华的心中更热切。2000年,告别母校,他踏上了去异国的征程,并选择进入产业界。
  在美国工作的第一家企业致力于研发当时世界上最快的网络处理器芯片,从默默无闻的系统测试工程师职位开始,张立华逐渐成为公司核心软件的研发骨干,甚至从未学过编译技术的他,还成为公司在这一领域最核心的工程师。
  2002年年底,几位公司创始人偕张立华一起创办了AGEIA Technologies公司。作为一家初创企业,大家提出攻关两个方向,其中之一是现在已经非常普及的体感游戏机,如微软的Xbox、索尼的PS等。世界上最早的体感游戏机是任天堂的Wii,而张立华他们做的体感交互实际上比任天堂的更早,其核心技术之一就是张立华之前从事的计算机视觉技术。遗憾的是投资商对此并不感兴趣,因为他们更青睐另一个方向——三维物理仿真。
  当时,在PC上玩三维游戏流行于欧美。游戏做得越逼真,就越吸引人,市场占有率就越高。游戏里,楼如何倒塌?水如何流动?爆炸时,物体如何碰撞?女孩子跳舞,裙子如何摆动?在游戏世界里模拟真实物理世界,只靠事先制作的固定动画,并不会带来身临其境的逼真感觉,只有做出物理仿真引擎去实时模拟真实世界才能让游戏场景无限逼近真实。
  “另外,谁都希望游戏的速度性能提升上来,所以如何对极其复杂的各类算法进行优化,如何设计专门的异构并行计算芯片去实现实时加速,也是我们需要做的工作。”张立华介绍。
  围绕一个个难题一一攻克,张立华与同事们进行了物理仿真一系列问题的极致探索,最终打造出了PhysX这一世界知名的物理仿真引擎。
  所做工作渐入佳境,张立华的能力也获得了公司认可,他从首席工程师、研发经理,一步步升任为公司的技术总监,负责管理公司的核心技术研发。此后,公司被英伟达收购,张立华又作为主要技术负责人,带领跨国团队早早开启了异构计算领域的研究工作。
  回溯张立华的研究经历,与很多人不同。别人读书、毕业、留校当老师,始终做的是一脉相承的工作,而张立华在每个阶段都在挑战不同的问题。他认为,专注做一件事,持之以恒,能找到创新点、有突破是件好事,可能会容易在特定领域做出一些好的持续的成果。但拥有多样的科研工作经历,也是件好事,因为越来越多的问题开始需要学科交叉才能找到新的突破点,在科研的道路上,往往各种机缘会使你不得不“重拾旧业”。
  初到美国张不开嘴的哑巴英语,曾使张立华无法与外国同事很好地交流。起初在公司汇报工作,他不得不请来已在美国多年的清华老同学帮他做翻译,但勤学苦练不到半年,他就把语言关过了。
  国外技术的先进性带给张立华的冲击,在无形中也会带来一些压力。他曾说,刚到美国的时候,原来自己觉得在国内还可以的东西,到国外被彻底刷新了认知。“2000年在国内做一套双CPU的系统已算比较复杂,但我到美国后去的第一家公司,当时做世界上最快的网络处理器芯片产品,其中一位同事是华盛顿大学的一位老教授,他设计的是一套包括多个16层电路板的复杂系统,而每个电路板上有16个以上的IBM PowerPC处理器。”张立华回忆。 
  系统复杂,一旦出现问题非常难以调试。那时张立华经常人已经睡下,心里还想着调试的事,半夜突然想起一个突破点,立即起床,开车到公司的实验室里,熬夜解决问题。
  正是因为这样锲而不舍,所以不管每次涉足的研究领域有多新,问题有多难解决,他总能做出好的成果。
  在美国摸爬滚打许多年,张立华凭实力进入了很多人都很向往的巨头公司。稳稳占据着管理岗位,拿着高薪,一直这么待下去,生活会很轻松。但张立华总觉得这样的日子是浪费生命。
  眼光一直向前,对未知永远保持探索热情的张立华决定要打破这种状态。他意识到,异构计算技术一定是影响未来的新技术,自己作为世界上最早做此类研究并在技术上取得一定突破的人之一,是否可以带着这些技术回国做些事情?想法一出,张立华马上行动起来。
  

笃定前行

——关注前沿,重视落地

  “少时,父母为我订阅的《少年科学画报》,有一个故事我印象非常深。面包博士,他学知识很简单,拿气筒把知识打到身上的一个个小空腔里,知识不可谓丰富,但那些知识进去后就出不来了,被封闭在空腔里了。所以当时我就觉得学知识一定不能学死了,不能像面包博士,学完后还要知道怎么去运用。”张立华说。
  所以清华毕业未留校,放弃到美国麻省理工学院攻读博士后,以及比利时国际微电子研究中心(IMEC)的工作机会,选择到企业历练,如此重视科研成果的应用落地,可能与这个故事对张立华的启发有关。
  而在美国异构计算技术上的突破和三维物理仿真引擎研发及芯片的产业化经历,让张立华再次确定了将科技创新实现产业化,才是科研人最终的归宿。
  也正是为了实现这个产业梦,张立华回国之初就创立了长春博立电子科技有限公司。以人工智能核心算法和异构计算技术为基础,博立科技进军智能网联汽车、智能制造、智慧医疗以及智慧城市几个行业领域,这让张立华多年在学术研究上的积累有了落地的土壤。
  现在博立科技已成长为智能计算与智能分析领域的领军企业,作为全国信标委生物特征识别分委会行为识别工作组组长单位,牵头了人工智能行为识别的国家标准制定工作。博立科技重点攻关人工智能、数字孪生以及芯片生态核心技术,通过5G+人工智能+大数据等信息领域的技术创新,为一汽、国电等顶尖企业提供相关技术产品,推动智能网联车、智能制造等领域的发展。
  近年,针对网联车大数据实时建模、分析等功能需求,博立科技与复旦大学共同研发了智能网联汽车大数据孪生实时可视化分析平台。平台集云端数字孪生建模技术、多源数据融合技术、大数据智能分析技术、异构优化技术等先进技术于一体,解决了目前主机厂商缺乏大规模网联汽车数据分析能力的问题。平台已在一汽集团开展应用,接入40万辆红旗车、15万辆奔腾车,为这些车辆提供实时传感器信号解析、车辆姿态还原、行驶轨迹还原、车辆实时定位以及车辆三维可视化服务。2021年,该成果入选“2021年度中国人工智能学会优秀科技成果”。
  在创业过程中,张立华深感产业发展离不开技术创新,而前沿技术创新迫切需要理论上的进一步突破,通过与一些科研界前辈的接触让他更坚定了回归高校的想法。在这些前辈中,国家杰出战略科学家黄大年教授就是对他影响很大的一位。
  虽身在企业,张立华却始终关注着前沿技术热点。2015年,VR技术兴起,张立华尝试做了一些工作,正是在那一年,他结识了黄大年教授。他向黄教授介绍了自己的科研背景及所做的一些工作,作为一位战略科学家,黄大年虽是地学出身,但他对包括VR在内的一些新技术都很感兴趣,也有很多自己的想法,一直在考虑如何把这些技术应用到他所在的领域。
  经过多次交往,黄大年看好张立华,多次邀请他到吉林大学工作。遗憾的是,因黄教授的去世,最终没能成行。虽与黄大年教授的交往很短暂,但他却给了张立华不少指导和启发,包括他对工作的忘我与投入,张立华也都看在眼里。
  “他经常忙到顾不上吃饭,让学生买回玉米,边啃边跟我谈工作。他是吉林大学交叉学部的部长,自身的科研就有交叉的特点,我做的也是学科交叉的东西,所以从他身上我学到不少。如果黄老师还活着,相信跟他一起能做出很好的新工作。”张立华说。
  另一位前辈甘中学教授对张立华的影响也很大。甘教授与他讨论智能机器人的前沿问题,提到的复旦大学极具学科交叉理念的新工科建设,以及准备建立智能机器人研究院的想法都引起了张立华极大的兴趣。二人一拍即合。2017年9月,张立华回归科研一线,加入复旦大学担任智能机器人研究院副院长、机器人智能硬件与操作系统研发平台负责人,负责推进人工智能与机器人科研平台建设,并参与策划包括上海市人工智能科技重大专项在内的重大科技项目,致力于在人工智能理论创新和相关成果应用落地上有所突破。
  业界普遍认为,深度学习的发展已处于瓶颈期,人工智能想进一步取得突破,就需要从新的方向和领域去入手。三元空间群体智能理论,就是以甘中学、张立华等为代表的人工智能团队认准的可以实现颠覆式变革的机器智能发展理论。在他们看来,未来世界不仅包含人类社会空间与物理空间,也有基于互联网络形成的虚拟信息空间。物理空间中就包含了未来的智能机器人与各类机器智能终端,面对这一三元空间,应如何根据人类社会发展的新特点去发展人工智能的理论,正成为人工智能学者要攻克的难题之一。“我们希望人工智能最终能够达到人类智能的水平。现在的所谓智能机器人的智能水平远远没法跟人去相比,三元群体智能是我们实现终极目标的可能途径之一。”
  如今,“人机物三元协同与群智涌现”已被列入上海市人工智能科技重大专项。复旦大学科研团队将针对物理空间、人类社会和信息空间,提出人类直觉+机器感知+智联网络的三元空间群智智能新范式,通过揭示三元群智进化涌现科学规律,探索群智智能激励机制与涌现机理。
  清华大学信息学院院长、中国人工智能学会理事长戴琼海院士是张立华科研道路上的另一位学习榜样。2021年,戴琼海院士在接受央视采访时说:“习近平总书记最关心的第一个是顶天,要做原创的技术,走在国际的前沿;第二个是立地,把原创的技术服务于国民经济主战场和人民生命健康。”张立华也在自己的科研工作中努力践行习近平总书记对广大科技工作者的期盼和要求,包括将人工智能技术与医疗健康产业相结合。
  面向肝癌智能化精准外科中的重大临床需求,张立华牵头国家自然科学基金重大项目课题“肝癌智能化精准外科的共性关键技术体系的建立”,项目旨在通过构建外科诊疗可视化、可量化、可控化技术体系,结合肝癌表征的多组学数据,提高临床病理分期精度,改善残肝功能的评估难现状;同时结合多组学数据完成肝癌的三维定量可视化,降低侵袭边界判定误差,实现术中的实时监 测,服务于肝癌精准外科智能化决策与手术规划。
  儿童的健康成长关乎国家的希望和未来,但目前我国面临着基层儿科优质资源短缺且难以大规模培养等问题。据国家卫健委相关统计,2019年全国每千名儿童儿科医生数仅为0.63,儿科临床能力不足。针对上述问题,2021年,由张立华牵头,复旦大学等10家机构共同申报的科技创新2030—“新一代人工智能”重大项目——“标准化儿童患者模型关键技术与应用”获批立项。该项目将以基层医生儿科临床能力的高效培养为出发点,基于标准化儿童患者模型搭建高保真模拟诊疗系统,实现基层儿科医生的规范化、规模化培训以及诊疗能力的客观评估。项目完成后,相关成果将作为基层儿科医疗机构诊疗能力快速评估和改善的工具,有效提升儿科临床医生培训的规范化、规模化、智能化建设水平,实现提高临床诊疗能力、改善医疗服务品质的目标。
  期待在人工智能领域的前沿理论上获得突破的同时,张立华并未忽视多学科交叉研究的开展。他带领课题组与复旦大学高分子科学系开展学科交叉创新研究,成功将显示器件的制备与织物编制过程融合在一起,在高分子复合纤维交织点集成多功能微型发光器件,揭示了纤维电极之间电场分布的独特规律,解决了在这种特殊交流电场下对纤维发光器件进行驱动与控制的难题,提升了纤维的发光稳定性与寿命。相关成果发表在Nature主刊,审稿人评价论文“创造了重要而有价值的新知识”。
  此前,张立华带领的复旦大学研究团队与戴琼海院士领衔的清华大学脑与认知科学研究院合作,共同开展直觉智能研究,并提出了机器直觉这一新的交叉学科研究方向,致力于让机器实现类似甚至超过人类的直觉能力,赋予机器以创造性的快速预测、判断、决策、规划能力,以期在真实复杂动态时变场景,如自然灾害、公共卫生等突发事件预判,以及创造性科学研究等领域发挥重要作用。
  成为具有战略眼光的交叉领域科学家,是张立华对自己的期望。“我会始终保持对未知领域的兴趣及对科研的严肃态度,积极去行动。”张立华说。当下,他要做的是把手中的课题一个个攻克,在脚踏实地中仰望星空,静待属于他的每一次蜕变。
  

迎接挑战

——让虚实交融,助两界互通

  2021年3月,元宇宙概念第一股罗布乐思(Roblox)在美国纽约证券交易所正式上市;8月,字节跳动斥巨资收购VR创业公司;10月,Facebook更名为“Meta”,并表示将在5年内转型成一家元宇宙公司。元宇宙无疑成为2021年科技领域最火爆的概念之一。
  “在这场科技革命中,我能做些什么?”梳理研究过往,张立华收获了一个有趣的感悟——之前曾做过,认为今后不会再做的研究,要捡起来接着做了。“所以要重视所做的每一个工作。”对科研中充满的不确定性,张立华很感慨。
  张立华提到的“重拾旧业”即物理仿真,是十几年前他早已做过的一项研究。在美国他曾参与研发了世界第一款包含多达512个内核的物理仿真异构并行处理器(PPU)的架构设计与性能优化,还带领跨国团队进行了包括刚体、流体和软体等在内的三维物理仿真算法的研发及其在PPU上的微码设计、实现与优化,并使研发的PhysX成为与Havok物理引擎齐名的世界两大商用3D游戏物理仿真引擎之一,被广泛应用于Unreal等著名游戏引擎和3D游戏大作中。
  2008年,随着AGEIA Technologies公司被NVIDIA(英伟达公司)收购,张立华也成为这家全球视觉计算与人工智能行业领袖企业的一员,并带领团队将物理仿真引擎PhysX从PPU上移植到英伟达公司生产的图形处理器(GPU)上,从此PhysX成为NVIDIA GPU中性能强大的一款引擎,而且拥有了独立的商标——CUDA PhysX,进一步扩大了英伟达产品的市场份额。目前CUDA PhysX已被集成于Unreal Engine4、Unity3D等著名游戏引擎。
  “虽然电子游戏技术奠定了元宇宙的数字创造基础,但元宇宙的应用及其衍生的技术进展远远不止于游戏领域,而应当成为人们生活、工作的沉浸式虚拟时空。”张立华说。
  2021年伴随元宇宙概念热度的逐级升温,对元宇宙塑造的未来世界,巨头们也做了如此畅想:虚拟世界真实化,真实世界虚拟化,两界数据实时互通、互相影响促进,世界也因此被塑造为一种超越现实与虚拟的全新形态。
  就像张立华喜欢的一部科幻电影《失控玩家》,影片里构建了现实与虚拟两个世界。现实世界的玩家,只要戴上VR/AR眼镜,就可以进入虚拟的游戏世界,通过VR、AR等技术在游戏里打打杀杀,赚取活力值,提升战斗力;而类似“Guy”这种虚拟世界里的NPC(游戏中不受玩家操纵的游戏角色),则每天要按照系统设定的轨迹,重复着自己应该做的事。“这两个世界看上去叠加在一起,同步的时间,同步发生的事情,构建起了一个真实与虚拟相互融合、完整运行的社会形态。这部电影最有启示意义的是,虚拟世界对真实世界产生了影响,AI创造的NPC协助真实世界中的人类解决了现实世界中的问题,找回了被盗用的代码,同时真实世界的人类反过来也帮助拯救了濒临崩溃的虚拟世界。像电影中那样,如何让人类智能与机器智能在元宇宙所带来的虚实融合空间里进行更好的交互与融合,这是科技工作者需要着手去探索、去解决的课题。”张立华常将科幻电影的剧情与自己从事的科研相映照。
  解决这些问题需要无数科学家孜孜以求,而张立华之前的研究经历无疑为他铺好了一条路。他参与研发的CUDA PhysX物理仿真引擎现在已成为英伟达公司“元宇宙基建”平台Omniverse的重要组成部分,计划被广泛应用于3D游戏、数字孪生、自动驾驶仿真训练等领域。而且宝马公司已经运用英伟达的Omniverse引擎试水车辆智能化生产制造,对宝马汽车工厂的工人、工程建筑及其安装生产线开展数字孪生智能化模拟仿真。
  “元宇宙的虚拟世界离不开真实世界中实体技术的支持,反过来也促进了这些真实物理世界中相关技术的发展,在虚实交融互促间,世界也因此变得更美好。”张立华说。
  对元宇宙参与的未来世界,张立华满怀憧憬。把握元宇宙发展为人工智能研究带来的新机遇,张立华已做好迎接挑战的准备。
  
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年度期号:2023年1/2期

总期号:第11卷 总第112期

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