顾昌展：创造无线感知的无限未来 作者：暂无 来源：《科学中国人》 2020年第20期 徐芳芳 不用触摸，挥挥手就可以操控手机、智能手表；在进行癌症的放射性治疗时，无须再承受放射线带来的身体副作用；对桥梁、高楼大厦等实施“健康监测”，根据其振动情况提前预知坍塌事故的发生……或许你会觉得这些都是天方夜谭，但如今，这些“不可能的事”已经变成了现实。而这些“奇迹”的实现得益于无线感知技术。上海交通大学长聘教轨副教授、博士生导师顾昌展正是无线感知探索者中的一员。10年无线感知科学探索，他品尝过成功背后的艰辛与困苦，也越发笃定自己的选择。 毅然回国，投身祖国科研事业 2006年，顾昌展在浙江大学信息与电子工程系读完了本科。两年后，在母校获得硕士学位的顾昌展仍觉得自己对电子工程领域的知识学习得还不够深入，于是萌生了出国留学的念头。“当时一名在美国工作的亲属建议我去那里深造，继续学习电子工程专业。”顾昌展说，“只是没想到这一去就是11年”。2010年，顾昌展在美国佛罗里达大学全额奖学金Alumni Graduate Fellowship资助下获得该校电子与计算机工程硕士学位。2013年，他又攻下了美国德克萨斯理工大学电子工程的博士学位。 博士毕业后，顾昌展留在了美国。他先是在芯片公司Marvell硅谷总部从事无线连接芯片的研发。2015年，他开始为谷歌美国硅谷总部工作，参与了毫米波手势雷达技术的研究，及在Google Pixel4手机等产品中的应用。手势雷达项目孵化于谷歌先进技术与项目实验室（Google ATAP），该实验室专注移动端的颠覆式创新。顾昌展介绍，谷歌对于实验室的研发工作进行了全方位的支持，不仅提供了自由开放的工作氛围，而且在经费方面十分慷慨大方。当时，他一入职就向公司申请到了数百万美元的科研资助用于射频测试平台的建设。 子曰：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者。”顾昌展能一直坚守在电子工程领域，“兴趣”发挥了很大的作用。“从小我就比较喜欢动手，如拆了玩具重新组装，研究收音机里的信号是从哪儿来的。那种攻坚破难的成就感常常会让我兴奋不已。”正是这种快乐学习的精神，促使着顾昌展在所学专业里一步步成长，并获得一系列瞩目的成就和荣誉。 顾昌展目前共发表了70余篇国际学术期刊和会议论文（其中第一/通讯作者论文30多篇），已授权6项美国发明专利，并申请了多项中国发明专利。以第一作者出版了1本英文专著。他先后7次获得IEEE会议最佳/优秀论文奖，其中连续3年第一作者论文获得IEEE射频无线周RWW主力会议之一BioWireleSS（现IMBioC）最佳/优秀论文奖。2013年，顾昌展荣获IEEE微波理论与技术学会(MTT-S)博士生奖（全球13人）。2019年，顾昌展获得了由IEEE传感学会颁发的早期职业技术成就奖（全球仅2人），以表彰其在近距微波感知生物医学和人机交互方面的突出研究，这是国内学者第一次获得该奖项。同年，他还获得日本大川情报通信基金研究助成奖（中国5人）。 2019年，在美国干得有声有色的顾昌展却选择了回国发展。他辞去了谷歌公司硅谷总部的职务，转而回到祖国，在上海交通大学任职。“近年来，我国发展迅速。国内的科技氛围、条件也都越来越好。选择这个时间回国，我希望能最大化地发挥我的所长，亲身参与中华民族的伟大复兴，为之贡献一份自己的力量。” 报效祖国，责无旁贷。顾昌展回国的决定，得到了全家人的支持。特别是妻子，成了他的坚强后盾。“我的妻子和我一样，都是浙大毕业的。她出国留学的时间比我还早，毕业后一直在硅谷工作。回国后，我的待遇虽然只有原先的七分之一，但是妻子非常理解和支持我。无论在工作还是生活上，我们都可以深入探讨和交流。可以说，我们既是朋友，也是伴侣，还是在人生道路上一起打怪升级、并肩作战的队友。”也正是因为有了家人的支持，顾昌展开始在国内发展自己的科研事业。 强调实践，推动科技成果与实际应用融合 顾昌展近10年来一直致力于微波毫米波雷达近距无线感知技术的研究。所谓无线感知，是指通过电磁波、光波、声波等普适的无线信号，对人和环境进行非接触式感知的技术。这一技术在物联网、人工智能、健康医疗和国防等国家战略发展和重要民生领域具有广泛的应用前景。微波是波长较短的电磁波，速度等于光速。微波技术在生活中的应用范围很广，如当微波遇到车辆时，就会被立即反射回来，再被雷达测速计接收。这样一来一回，不过几十万分之一秒的时间，数码管上就会显示出所测车辆的车速。毫米波则是频率更高、波长更短（1mm.10mm）的电磁波。毫米波雷达就是指工作频段在毫米波频段的雷达，原理跟一般雷达类似，也就是把无线电波发出去，然后接收回波，根据收发之间的时间差和多普勒效应测得目标的特征信息。 “新型微波毫米波雷达具有探测性能稳定、精度高、环境适用性好等特点，成为提升无线感知能力的重要发展方向之一。”顾昌展解释道，“然而，面向物联网、智能设备等新应用场景的无线感知目标邻近观测雷达，多是小于10米的近距离电磁散射体，构建相应的微波毫米波无线感知系统面临着一系列亟待解决的关键科学问题。” 为此，顾昌展从复杂目标运动感知机理、同时同频全双工关键技术和抗干扰鲁棒感知系统构建机制3个方面着手，对微波毫米波雷达近距无线感知技术进行了系统性研究，提出了近距目标多点散射射线追踪模型、非线性相位调制谐波理论、高线性度相位解调算法、正交数字中频、射频-基带融合对消等多种理论和方法，实现了突破性的科研探索发现。 在微波毫米波雷达近距无线感知技术研究中，顾昌展同时兼顾其理论研究和应用价值。他认为，只有把科学知识运用在实际生活中，才能让其焕发出强大的生命力。顾昌展坦言：“我希望自己的研究不只是成为一篇篇论文刊登在学术期刊上，而是融入人们的生活中，给大家带来实实在在的好处，希望能做到科学性和应用性的结合。就像牛奶很容易变质、不易储存。在很久之前，牛奶只能在小范围内运输，能喝到的人很少。而当巴氏灭菌法发明后，牛奶更容易存储了，保质期也变长了，人们很轻松地就可以在超市里购买到。巴氏杀菌就是兼顾科学性和应用性的研究成果。”基于实践应用的科研信念及前述的理论方法和关键技术，顾昌展开拓了非接触手势交互、无感呼吸门控放疗、建筑物健康监测等创新应用，并在一定范围内普及开来。 非接触手势交互，就是指不直接接触物体，利用手势变化隔空操控物体。在谷歌就职期间，顾昌展就将非接触手势交互技术应用在智能手表、手机等设备中。作为谷歌毫米波手势雷达研究团队射频系统的创始成员，顾昌展与德国英飞凌公司合作实现了包括封装天线在内的全集成60GHz毫米波手势雷达芯片。基于该芯片设计了首个集成隔空手势交互的智能手表原型，在2016 Google I/O成功演示。作为DRI (直接责任人)，设计了多个型号的手势雷达模组，应用到Pixel4手机等消费硬件产品中。Google Pixel4是世界上首个集成毫米波雷达隔空手势操控的消费级产品。 无线感知的应用领域非常广泛，不仅局限于电子信息领域，其与医学的结合就是顾昌展做出的一次跨界尝试。 根据中国国家癌症中心报告，肺癌在我国居恶性肿瘤发病第一位。放射疗法是治疗肺癌的主要途径之一，肺癌放疗的一个挑战性难题是位于胸腔的肿瘤会随着病人的呼吸而运动。针对移动肿瘤，临床上一般采用宽放射线覆盖整个移动区间，但也同时覆盖了肿瘤周围健康的组织而造成伤害，具有明显的副作用。 基于雷达感知原理，顾昌展提出了无感呼吸门控放疗技术，实现了对呼吸运动的无线精准追踪，确保了精准放疗，解决了由于呼吸运动使肺部肿瘤产生位移而导致的肺癌放疗不确定性。他还与数位医学专家合作开展了多次模拟医学实验，实现肿瘤追踪绝对误差小于0.12mm，表明该技术能显著提高放疗有效性并降低副作用。 跨界的尝试不断，顾昌展的科研成果还应用在了工程建筑领域。我国是基础设施大国，对桥梁和大型建筑结构实施健康监测，对于保证其正常运营、预防因结构灾害而造成重大公共安全事故的发生具有重大意义。而加速度计、线性可变差动变压器等传统的传感器普遍需要跟建筑物的表面进行接触，存在布置不便、数据传输和组网困难等缺点。顾昌展根据自己的研究所得，提出了雷达无线感知建筑物健康监测技术。他通过设计多普勒雷达微型测振传感器，实现了对桥梁等建筑亚毫米级振动的无线非接触监测。与现有监测方案相比，这一方案具有非接触、高精度、易组网等优点。 角色转变，尽心培养电子科技人才 “对坐轩窗读书乐，怎忍花前不醉归”。再次回到校园，顾昌展由一名勤学苦读的学子变成了一位教书育人的老师。“教育工作跟我之前在美国硅谷的工作还不太一样。现在除了尽心做好科学研究，我还要努力培养学生，帮助他们提高专业能力！” 顾昌展是这么说的，也是这么做的。尽管科研任务繁重，但他还是尽量抽出时间参与学生培养的每一个环节。在进行课题研究时，不论是课题选题，还是中期汇报，亦或是毕业答辩，顾昌展都对学生进行了悉心指导，对每篇报告和论文都进行了仔细地修改和完善。在回国的第一年，由他指导的博士一年级学生的研究论文即入围了原定于2020年6月在美国洛杉矶召开的微波领域国际顶级会议IEEE IMS学生优秀论文竞赛决赛（由于疫情影响改为线上会议）。 此外，他还特别注意培养学生的动手能力。顾昌展指导的学生研究的课题大部分都是与电子工程实践相关，涉及电路系统的设计、组装、调试等都由学生自己动手完成。学生不仅参与硬件系统的设计，还需要完成信息处理算法开发，以及演示系统搭建。2019年10月，上汽·未来汽车创想邀请赛总决赛成功举办。由顾昌展指导的6位学生组成的“交大微波智能战队”以“基于微波融合感知的车内无感监测与交互”获“车内场景识别解决方案”赛题冠军即总决赛一等奖。基于微波融合感知技术，他们不仅实现了对车内人员的位置、动作的追踪，还可以在不需穿戴任何额外设备的情况下实现对呼吸、心率等人体生物指标的监测。 “惟学无际，际于天地。习坎示教，始见经纶。”顾昌展很喜欢浙大校歌里的这两句话。前一句论科研，后一句论教育。虽然在科学研究和教学领域都取得了不俗的成绩，但他始终保持着好学、谦虚、朴素的作风，对待学术问题求真务实、勇于创新；对待身边的人以诚相待、和善质朴，受到学生的深深爱戴。 “我希望在未来的三五年内，在电子领域内有所突破，同时能将自己的科研成果与实际应用结合起来，给人们的生活带来方便，这样我的工作才算是有意义的！”顾昌展说。 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/b3b70a3913661ed9ad51f01dc281e53a580251f9.html