基于專利交互影響分析的納米技術發展模式國際比較

馬榮康，劉鳳朝

(大連理工大學管理與經濟學部，遼寧大連116024)

一、引言

納米技術作為當今世界發展最迅速和影響廣泛的新興科學技術領域之一，是21世紀社會經濟發展的重要“引擎”［1］，也是發達國家角逐世界科技強國的必爭領域［2］。

作為一個新興的交叉科學技術領域，納米技術的發展不僅與其它技術領域相互滲透，而且其自身的各子技術領域也相互交叉融合，形成一幅內外交叉滲透的發展圖景。因此，世界各國分別基于納米科技發展的特有規律制定相應的發展戰略，以期盡快實現在納米技術優勢領域的率先突破。然而，技術基礎以及戰略選擇的差異性決定了各國在納米技術領域選擇多樣化的發展模式。中國作為世界上少數最先開展納米技術研究的國家之一，在納米科學研究領域已經取得了較大的進步。但已有研究表明，我國僅在少數基礎研究領域占有優勢，在應用技術領域與美國、歐盟、日本等國家存在較大差距［1，3］。因此，從不同技術領域交互作用視角，研究納米技術的發展模式，識別我國與其他國家發展路徑的差異，對未來納米技術發展戰略設計具有重要參考價值。

二、文獻回顧

近年來，隨著納米科技的迅速發展，納米領域相關的論文和專利數量大幅增加，論文及專利中包含的豐富信息為分析納米技術的發展提供了較好的數據支撐［1］。目前，學術界對世界各國納米技術發展規律的考察主要集中在三個方面。

一是基于論文或專利數據對納米技術的發展趨勢進行科學計量分析。Huang等、Li等基于USPTO、EPO以及JPO專利數據分析了納米技術的國家、機構和技術領域分布，研究發現三大專利數據庫中排名前列的國家基本相同，各國的優勢技術領域差別較大［4-6］;Scheu等、Wong等考察了世界各國納米技術及其應用領域的演變歷史［7-8］;Dang等對比了1991-2008年世界各國在不同專利數據庫中納米技術專利的發展情況［9］。梁立明等、官建成等考察了中國納米科技研究動向及主要研發力量分布［10-12］。

二是對納米技術發展中的收斂或擴散模式進行深入研究。Basselcoulard等分析納米科技論文的引用關系發現，其它學科對納米技術引用較多，納米技術在諸多學科發展中發揮重要作用［13］;Yu的研究也發現納米技術向其他學科流動的速度遠高于其他學科向納米技術流動的速度，納米技術是一個開放的跨領域學科［14］;Meyer對瑞典納米技術專利聚類分析發現，納米技術并未收斂到一個領域，而是擴散應用到不同產業部門［15］;Porter和Youtie基于專利數據的分析也表明目前納米技術廣泛地應用到多個領域，呈現出跨學科的發展趨勢［16］。

三是對納米技術發展過程中科學與技術之間聯系的研究。Hu等研究發現納米技術專利對論文的引用數不斷增加，納米科學對納米技術的發展起到至關重要的作用［17］。Meyer將納米技術領域的專利發明人與論文作者匹配，發現擁有專利的科學家論文產出數量及質量都高于沒有專利的科學家同行，從研發產出的視角驗證了納米科學與納米技術之間的聯系［18］;官建成和王剛波利用中國數據也發現學術型發明人的績效顯著高于純學術研究者［19-20］;Bonaccorsi和 Thoma研究發現納米技術領域學術型發明人擁有專利的質量遠高于非學術發明人，進一步驗證了納米技術發展中納米科學和納米技術之間的良性互動［21］。

綜上，學術界對于納米技術的發展趨勢、收斂與擴散模式以及納米科學與納米技術之間的聯系等問題進行了大量研究，取得了諸多有創見的成果。然而，已有研究大都從技術層面研究納米科學、技術乃至產業化發展的規律，較少從科學技術發展的內在機理與國家科技發展戰略選擇互動的角度，分析如何依據科學技術發展規律，結合具體國家的特定國情，制定切實可行的納米技術發展戰略問題。納米技術作為一種廣泛應用于各領域的技術，各國基于不同技術基礎選擇了何種發展戰略，各國納米技術發展過程中不同應用領域之間的交互關系如何？這些問題的回答有助于從技術層面清晰地揭示不同國家納米技術的發展模式。近年來，Choi等提出了基于專利的交互影響分析方法(patent-based cross impact analysis)，通過分析某種技術對其他技術的影響來考察技術間的交互關系，進而識別不同技術間的交互影響模式［22］。借鑒已有研究思路，本文使用美國專利和商標局(USPTO)專利數據，采取專利交互影響分析方法考察納米技術不同技術領域的交互影響，揭示不同國家納米技術的發展模式，以期為我國科學制定納米科技發展戰略提供參考。

三、樣本數據與研究方法

(一)數據來源與樣本選取

專利數據已經被廣泛地用于分析國家、區域、組織等層面的技術創新活動［23-24］。美國專利和商標局(USPTO)的專利信息囊括了世界上大多數先進技術，尤其是新興技術，本文使用USPTO檢索納米技術專利數據。2004年，USPTO推出了納米技術專利專屬分類977，并對以往的專利進行追加，該分類逐漸得到學術界的認可和廣泛使用［8］，因此本文采用USPTO的納米技術分類作為檢索標準。考慮到專利的質量問題，僅檢索USPTO授權的發明專利。以977為專利分類號按授權日檢索所有的授權發明專利作為納米技術的專利數據，檢索日期為2011年11月25日，檢索時間截止到2010年，一共得到6667件專利。把納米技術專利按發明人所屬地址對國家進行分類發現，從1978到2010年，美國共有1530件，日本共有1153件，德國共有333件，韓國共有306件，這四個國家是納米技術專利最多的國家，其專利總和占納米技術專利總體的 49.83%，中國僅有 81件，占1.21%。可以說，美國、日本、德國和韓國是當前納米技術發展實力最強的國家。因此，本文選擇美國、日本、德國和韓國作為研究樣本，對比分析其納米技術的發展模式，并以其為對照組探討中國納米技術的發展路徑。

(二)研究方法與分析框架

USPTO專利數據中包含專利所屬的IPC分類(國際專利分類)信息，基于完善的IPC分類體系，可以對納米技術的應用領域進行具體統計。借鑒已有關于IPC分類與技術領域的對應標準ISISPRU-OST-concordance［25］，把所有專利按其IPC四位分類對應到43個技術領域①根據Schmoch等的研究，實際上有44個技術領域，從1到44;但是第8個技術領域為出版及印刷，不包含專利，因此與IPC四位分類對應的僅有43個技術領域。，具體技術領域見表1。如果一條專利包含多個IPC分類，而這多個IPC分類屬于不同的技術領域，說明多個技術領域在該專利中同時出現，稱為“技術領域共現”。基于專利的技術共現信息可以分析不同技術領域之間的關聯［26-27］，如果專利存在技術領域共現，說明該專利屬于多個技術領域，這些技術領域之間存在關聯，具有交互融合發展的趨勢;反之，專利屬于單個技術領域，說明技術獨立發展。

根據專利的技術領域共現信息，利用 Choi等［22］提出的基于專利的交互影響分析(patentbased cross impact analysis)方法可以分析納米技術不同技術領域之間的交互影響關系。不同技術領域之間的交互影響可以用技術影響指數(I)衡量，I(A，B)定義為A技術與B技術之間的條件概率，衡量A技術對B技術的影響，計算公式為:

表1 按IPC四位分類的43個技術領域

公式中，N(A)指A技術的所有專利數，N(A∩B)指A技術與B技術共現的專利數。該指數位于0-1之間，值越接近于0，說明A技術對B技術的影響程度越低;值越接近于1，說明A技術對B技術的影響程度越高。

如果同時計算I(B，A)，就可以得出B技術對A技術的影響。根據I(A，B)與I(B，A)的高低，可以把A技術與B技術之間的交互影響分為三種類型，從而識別不同的交互影響模式。如果I(A，B)與I(B，A)均為高影響指數，那么技術對(A，B)或(B，A)就屬于“雙向影響技術對”;如果I(A，B)與I(B，A)一個為高影響指數，另一個為低影響指數，那么技術對(A，B)或(B，A)就屬于“單向影響技術對”;如果 I(A，B)與 I(B，A)均為低影響指數，那么A技術與B技術之間的交互影響程度較低，二者幾乎是獨立的，(A，B)或(B，A)可以稱為“無影響技術對”。本文把I值大于或等于0.5界定為高影響指數，小于0.5界定為低影響指數。

如果把所有技術領域之間的交互影響表示成一個網絡形式，那么就可以把分析視角從兩兩技術領域關系擴展到所有技術領域關系。因此，以技術領域為節點，以技術領域間的影響作為節點之間的聯系，節點聯系的方向為技術領域間的影響方向，便可以繪制技術領域間的交互影響網絡圖譜。本文利用社會網絡理論中的“核心-邊緣”模型，分析各國納米技術交互影響網絡的“核心-邊緣”結構，識別網絡中的核心節點、邊緣節點及其交互關系，從而可以在整體層面對比各國納米技術不同領域間的交互影響模式。

綜上，基于專利數據考察納米技術專利的技術共現及領域分布、對比技術交互影響指數及技術對類型分布、分析技術交互影響網絡的整體結構特征，便構成從技術關聯角度考察不同國家納米技術發展模式的分析框架。

四、美、日、德、韓納米技術發展模式比較及中國啟示

(一)納米技術專利的技術共現與領域分布對比

表2統計了樣本國家納米技術專利的技術領域共現情況。可以看出，雖然美國和日本是納米技術專利最多的國家，德國和韓國的專利總數比較接近，但是從納米專利技術共現與獨立發展的情況看，四國呈現出與專利總數不同的模式。美國和韓國技術共現專利數僅占21%和22%，而日本和德國則分別占47%和46%，說明美國和韓國納米技術各技術領域獨立發展的趨勢比較明顯，技術領域間的關聯程度較低，而日本和德國不同技術領域間的關聯程度則較高。從納米技術分布的技術領域數看，專利總數較多的美國和日本技術領域分布較為廣泛，而專利相對較少的德國和韓國納米技術分布領域較少，但是幾乎所有技術領域均與其他技術領域存在共現關系，說明各國納米技術發展過程中不同技術領域之間或多或少地存在關聯，跨技術領域的融合發展是納米技術發展的普遍現象。

表2 樣本國家納米技術專利及技術領域統計

圖1對比了樣本國家納米技術重點領域的分布情況，圖中省略了四個國家專利數均小于5的技術領域。可以看出，樣本國家納米技術主要分布于25個技術領域。基本化學(10)、電子元件(34)、測量儀器(38)是四個國家表現都比較突出的技術領域，作為納米技術基礎領域的納米化學、納米電子學以及儀器設備是所有納米強國發展的必需。其次是非金屬及金屬制品(18、19、20)、基本制造(13、24、25、28)、儀器設備(37、40)等應用領域，這體現了納米技術在各產業部門的廣泛應用。25個技術領域中，除了電子元件(34)外，美國幾乎在所有領域均衡發展，體現了美國全面領先的納米技術戰略布局;日本在個別領域重點優先發展，如基本化學(10)、辦公設備和計算機(28)、電子元件(34)、測量儀器(38)，其他領域選擇性兼顧發展，并且采取與美國有所差異的發展路線，如在28、38、40領域比美國發展突出;德國是有選擇的側重發展，除了10、34、38等基礎領域，主要在制藥(13)、辦公設備和計算機(28)和醫療設備(37)領域有所應用;而韓國目前主要在基礎領域發展，尤其是電子元件(34)和基本化學(10)領域，在其他領域的應用還處于起步階段。

圖1 美國、日本、德國與韓國納米技術重點領域分布對比

表3 美國、日本、德國與韓國技術影響指數排名前10技術對統計

(二)納米技術交互影響指數及技術對類型對比

在測算技術交互影響指數時，考慮到樣本國家在部分納米技術領域的專利數極少，不足以考察其與其它技術領域之間的互動關系，因此僅考察納米技術專利數大于5的技術領域之間的交互影響。通過測算樣本國家的技術交互影響指數發現，美國、日本、德國與韓國交互影響指數大于0的技術對個數分別為229、276、162和76，其中影響指數大于或等于0.5的高影響技術對的個數分別為0、68、47 和19，所占比例分別為 0、25%、29%和25%。可以看出，相對其他三個國家而言，美國沒有高影響技術對，各技術領域獨立發展的特征較明顯;日本和德國是影響技術對總數和高影響技術對比例均較高的國家，技術領域之間的關聯程度較高;韓國則處于以上國家之間，技術領域交互影響程度高于美國，但低于日本和德國。

在測算技術影響指數的基礎上，按影響指數的高低對不同技術對進行分類。由于無影響技術對不是關注的重點，因此僅考慮技術影響指數大于或等于0.5的高影響技術對的分類情況。以I(A，B)作為橫坐標，以 I(B，A)作為縱坐標(其中A＜B)，可以繪制高影響技術對的二維分布圖。美國沒有高影響技術對，因此僅繪制日本、德國和韓國的技術對分類情況，其中，高-高象限為雙向影響技術對，高-低與低-高象限均為單向影響技術對。表3統計了樣本國家技術影響指數排名前10的技術對，圖2顯示了日本、德國和韓國的技術對分類的二維分布。

由表3可知，美國沒有高于0.5的高影響技術對，前10名技術影響指數在0.28-0.48之間;日本和德國前10名均在0.85-1之間，韓國在0.53-0.89之間。具體來看，美國主要在納米化學領域存在一定的交互影響，包括化學品(11、15)對基本化學(10)、制藥(13)以及人造纖維(16)的影響，其他諸多領域(22、40)的發展也對納米化學產生了一定的影響，體現出納米化學作為基礎領域在美國納米技術應用中的廣泛性。

結合圖2可知，日本共有11組雙向影響技術對，46個單向影響技術對。雙向影響技術對主要包括(19，25)、(35，38)、(20，40)、(16，18)、(13，25)、(19，38)、(30，34)，體現為金屬(19、20)與機械(25)及儀器設備(38、40)領域在納米技術應用中的相互促進與協同發展;技術交互影響較高的技術對基本都屬于單向影響技術對，其中基本化學(10)對制藥和金屬領域、機床(24)對化學、金屬及非金屬、電子元件(34)對控制裝備和汽車領域、醫療設備(37)和測量儀器(38)分別對金屬、化學以及機械設備產生單向影響，這些技術之間的交叉融合促進了日本納米技術在納米電子學、納米儀器及設備等領域的發展。

圖2 日本、德國與韓國交互影響技術對分類分布

德國共有7組雙向影響技術對，33個單向影響技術對。雙向影響技術對主要包括(19，24)、(20，24)、(10，22)、(10，16)，體現為金屬、化學與機械領域之間的相互影響，反映出德國納米技術在機械領域的逐步興起，這在單向影響技術對中也得到了一定體現，如金屬(19、20)對通用機械(22)、專用機械(25)及辦公設備和計算機(28)等領域的單向影響。雖然目前德國納米技術在機械領域應用還比較有限，但機械設備等領域的發展正逐步帶動相關領域的興起。

韓國共有4組雙向影響技術對，11個單向影響技術對。雙向影響技術對為(13，38)、(16，38)、(20，38)、(20，25)，體現為化學、金屬與測量儀器以及金屬與專用機械之間的交互影響;單向影響技術對中，主要是化學、金屬、機械、電子元件和測量儀器等領域對醫療設備(37)產生了單向影響。韓國的醫療設備和測量儀器領域正積極與其他技術融合發展，是未來可能崛起的重要納米技術領域。

綜上，從技術影響指數及技術對分類來看，四國納米技術的交互影響模式呈現出明顯的差異。美國的技術交互影響主要集中在納米化學領域;日本的納米電子學、金屬、儀器及設備領域之間均存在一定的交互影響;德國主要集中在機械設備領域，而韓國體現為化學及金屬設備與醫療設備和測量儀器領域的交互影響。總體而言，美國納米技術發展過程中的交互影響較弱，日本納米技術各領域間的交互融合程度較高，而德國和韓國的部分技術領域通過與其他技術的交叉融合，在納米技術向機械、計算機、儀器設備等領域的拓展應用中發揮了積極作用。

(三)納米技術交互影響網絡結構特征分析

為了從整體上考察所有納米技術領域之間的交互影響關系，以技術影響指數0.5作為技術間是否存在聯系的界定標準，利用UCINET6.0軟件繪制日本、德國和韓國的技術交互影響網絡圖譜，如圖3所示。利用社會網絡分析中的“核心-邊緣”模型，對網絡進行二值化轉換后，測算了日本、德國和韓國納米技術交互影響網絡的“核心-邊緣”結構。

表4顯示了日本、德國和韓國技術交互影響網絡的“核心-邊緣”密度矩陣。德國的模型最終適合度最高(0.34)，核心-邊緣結構比較明顯;其次是日本，模型適合度為0.201，網絡也呈現出比較明顯的核心-邊緣結構，而韓國的模型適合度較低(0.119)，網絡的核心與邊緣分塊趨勢較弱。具體而言，日本核心組之間的密度為0.221，說明核心技術領域之間的交互影響程度較高;核心組與邊緣組之間的密度僅為0.071和0.063，說明邊緣組技術領域與核心技術領域之間聯系較弱，而邊緣組之間的密度為0，表明邊緣組技術領域幾乎游離于技術交互影響網絡之外。德國核心組之間的密度為0.347，核心技術領域之間存在緊密的交互關系，而核心組對邊緣組的影響程度也較高，二者間的密度達到0.19，核心組技術領域帶動了邊緣組技術領域的協同發展;但邊緣組對核心組的影響以及邊緣組之間的交互程度相對較低。韓國核心組之間也存在緊密的聯系，密度達到0.333，但核心組與邊緣組之間的交互關系較弱，邊緣組之間的交互程度反而較高，達到0.167。

圖3 日本、德國與韓國技術交互影響網絡圖譜

表4 日本、德國與韓國交互影響網絡“核心-邊緣”密度矩陣

表5具體統計了日本、德國和韓國的核心組與邊緣組技術領域。日本的核心組技術領域遍布化學、金屬、非金屬、電信、儀器設備等領域，邊緣組主要是制藥、機械、電池及照明、汽車等領域，核心領域與邊緣領域恰恰是日本納米技術的優勢和劣勢領域。德國的核心組技術領域包括化學、非金屬、機械、辦公設備和計算機、電子等領域，邊緣組包括制藥、金屬、電信、醫療設備、測量儀器等領域，其中制藥、醫療設備和測量儀器作為德國納米技術發展比較迅速的技術，對其他技術的影響和帶動作用還有待進一步加強。韓國的核心組技術領域包括化學、制藥、金屬、醫療設備和測量儀器，邊緣組主要是辦公室設備、電子元件領域，其中電子元件作為專利最多的領域，并沒有在核心組與邊緣組的交互中充分發揮作用。

(四)我國納米技術發展現狀

表5 日本、德國與韓國核心組與邊緣組技術領域分布

作為國家重大科學研究計劃之一，納米科技的研發在我國得到了政府科技部門、研究機構和高校院所的充分重視［20］。目前，我國在納米技術基礎研究領域取得了顯著成就，在國際論文發表量方面居于世界前列，但在納米技術的應用和商業化方面做得還遠遠不夠［2］。從美國專利和商標局(USPTO)檢索結果看，截止到2010年，包含中國發明人的納米技術授權專利共有81件，其中第一件是在1997年授權。經過十幾年的發展，我國納米技術擴展到了16個技術領域，但專利數大于5件的僅有7個領域。其中，基本化學(10)、人造纖維(16)以及電子元件(34)領域是目前應用較多的技術領域。可以看出，我國的納米技術主要應用于部分基礎領域方面，多數應用領域的發展仍處于起步階段。

從技術領域間的交互關系看，我國有28件專利屬于技術共現專利，大約占35%，技術融合發展的趨勢比美國和韓國明顯，但弱于日本和德國。專利數大于5的7個技術領域均與其他技術存在共現關系，但技術交互影響指數大于或等于0.5的交互影響技術對僅有六對，分別為(34，38)、(25，34)、(25，18)、(10，18)、(16，34)和(15，16)，均為單向影響技術對，主要體現為電子元件、化學、機械、非金屬以及測量儀器領域之間的交互影響。化學、人造纖維和電子元件作為專利最多的技術領域，也是我國納米技術發展中的核心領域，帶動了納米技術向其他應用領域的擴展。

綜上，從納米技術發展模式上看，我國與德國發展模式有所類似，側重在化學、機械和電子等領域率先發展，通過彼此交互影響帶動相關領域協同發展。日本的發展模式可能是我國進一步發展的借鑒，通過支持目前次優領域(如非金屬、測量與儀器)的發展，使其逐步得到積累并形成一定的技術優勢，進而擴大核心技術領域的陣營。因此，政府應該大力促使諸多核心技術之間產生良好的互動融合，催發納米技術整體的協同發展效應，從而推動我國納米技術實現跨越式發展。

五、結論

本文利用USPTO專利數據，使用專利交互影響分析及社會網絡分析方法，分析了美國、日本、德國和韓國納米技術的發展模式，并探討了中國的發展路徑，研究結論如下。

第一，考察期內，美國和日本是納米技術實力最突出的國家，德國和韓國緊跟其后，各國納米技術呈現出不同的發展模式。美國采取的是各分支領域整體推進，相互獨立均衡發展的模式;日本采取的是優勢領域重點發展，通過技術交互融合實現協同發展的模式;德國是關鍵技術領域率先突破，帶動相關領域共同發展的模式;韓國是基礎領域內部率先交互融合，應用技術領域選擇發展的模式。

第二，從納米技術領域的交互影響模式看，日本在納米化學、電子學、金屬、儀器及設備領域之間存在良好的交互融合;德國的化學、非金屬、機械、辦公設備和計算機、電子等領域的技術交互影響程度較高，尤其是機械設備領域;韓國的化學及金屬設備、醫療設備和測量儀器等領域呈現協同發展的態勢。也就是說，各納米技術強國幾乎不約而同地把納米化學、電子學、金屬、關鍵儀器和設備等作為優先發展的領域，并進一步通過先發領域對相關領域的單向帶動，形成納米技術體系的重點網絡模塊，再通過各網絡模塊間的交互作用實現技術領域的全局聯通，進而促進納米技術的整體發展。

第三，我國雖然在納米科學基礎研究方面取得了諸多成就，但在納米應用技術開發方面與納米科技強國還有較大差距，納米技術領域之間的交叉融合程度較低。就各技術領域發展的推進次序看，尚未實現關鍵技術領域率先突破、關鍵技術領域向重點應用領域滲透并帶動相關技術領域發展，進而通過各技術領域的相互交叉、形成納米技術體系基本功能模塊的良性互動的發展機制。就國外經驗的借鑒看，德國的發展模式是當前階段可以借鑒的對象，應該對當前核心技術領域給予大力支持，同時建立產業融合發展平臺促進與其他技術間的交互影響;在納米技術發展的下一階段，應該借鑒日本的發展模式，促進次優技術領域的技術積累，擴大納米技術優勢領域的范圍，并積極推進核心技術網絡模塊間建立良好的協同發展機制，從而實現納米技術整體實力的提升，在全球競爭中占據領先地位。

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