基于專利分析的我國顛覆性技術創新演化路徑研究
——以納米技術創新為例

王雅薇，周 源，陳璐怡

(1.北京物資學院信息學院，北京 101149；2.清華大學公共管理學院，北京 100084)

1 研究背景

納米技術作為本世紀最前沿的顛覆性技術之一，對當今世界的產業結構產生變革性的影響[1]。此外，納米技術幾乎能應用于所有行業，包括醫療、材料和信息技術等行業。全球至少有40個國家從戰略角度將納米材料工業納入其經濟體系，其中包括中國。2000年，美國啟動了世界上第一個國家納米技術計劃，即美國國家納米技術倡議(NNI)，美國國會于2003年通過了創建NNI的立法。從2001年到2015年，美國政府投入約209億美元用于納米科學研究，此后不斷增加投資，使美國成為該領域的全球領導者[2]。自2000年以來，日本政府將“納米技術與材料科學”列為第二個科技基礎計劃的四個優先領域之一[3]。我國在20世紀80年代中期開始研究納米技術[4]，2006年，我國政府啟動了《中長期科技發展規劃(2006-2020)》(MLP)，確定納米技術是一個非常有前途的領域，可以給我國一個大躍進的發展機會和MLP支持的四大基礎研究領域之一[5]。在市場潛力方面，預計到2020年，納米技術將在全球范圍內產生至少3萬億美元的市場影響[6]，預計到2022年，我國的納米材料市場將達到285億美元。

雖然納米技術早在20世紀80年代就從國外引進到我國[7]，發展勢頭迅猛，但目前在國內的實際影響力仍然相對較低[8]。而對納米技術創新演化路徑進行全面、系統的分析，有助于我們識別發展過程中的問題、預測發展趨勢和提出科學的政策建議。

迄今為止，學術界對納米技術進行了大量的研究和應用。自然科學領域的學者主要集中研究納米材料和納米結構[9]，應用科學領域的研究人員主要針對納米技術在能源和化工等各個行業的實際應用展開研究[10-11]。其他學者也回顧了納米技術的發展過程，但主要是在特定的應用領域。目前，對納米技術的發展缺乏從整體產業角度而不是從特定的領域應用角度的研究。在這種情況下，本研究旨在采用專利分析方法，針對以下問題展開研究：與國際形勢相比，我國納米技術處于哪種發展階段？我國納米技術組織在全球納米技術專利網絡中的地位是什么？我國納米技術知識流路徑是怎樣發展的？

為了探索這些問題，本文結合技術軌跡理論和產業生命周期理論[12]，從納米技術專利網絡結構、專利知識流和網絡中心度三個維度對我國納米技術創新演化路徑展開深入分析。

2 文獻回顧

2.1 技術創新路徑研究方法歸納

很多學者們采用定性研究的方法，基于不同的時間段來分析產業技術的發展路徑，并分析產業結構和核心技術的演化過程。Shen等[13]從驅動力、環境影響和可持續發展三個維度闡述了水泥工業隨時間的演化過程。Kaplan等[14]通過開發技術框架和技術的共同進化模型，進而挖掘整個生命周期中的技術軌跡。對于新興產業，一些學者通過跨案例研究和典型案例的專家訪談分析了產業發展路徑和未來趨勢，其他學者從產業價值鏈和生命周期的角度研究了技術發展路徑。Li等[15]從產業生命周期的角度，對我國垃圾焚燒產業鏈上下游的發展現狀進行了深入研究。也有一些學者通過定量方法對樣本數據進行了實證分析，以研究技術路徑的影響因素[3]。

2.2 納米技術發展研究現狀

學者們對納米技術在特定領域的應用進行了廣泛的研究。Hans等人[16]回顧了納米技術在食品生產中的應用，并對納米技術在食品領域應用的風險進行了評估。Javad等人[17]描述了基于聚合物納米粒子和樹狀聚合物的先進藥物輸送系統，然后強調了開發新的基于納米技術的藥物輸送系統的需求。Rafael[18]回顧了納米技術在墨西哥水處理中的應用現狀，并歸納了納米技術從研發到商業化的發展軌跡。鑒于某一特定領域的屬性，學者們研究了納米技術在某些特定領域的發展路徑，但尚缺從綜合產業角度研究納米技術產業整體發展的研究。

2.3 基于專利分析法的創新發展研究的現狀

專利分析法經常被研發工程師、學者和技術政策制定者使用，專利分析的結果用于預測技術的趨勢、盈利能力和績效性能[19]。Yoon等[20]提出了一種基于網絡的專利分析，研究特定領域專利之間的關系，然后將其用于評估專利的重要性、技術水平和相似性。專利引用網絡為研究人員提供了有關技術發展的歷史線索，并提供了評估專利重要性的方法。研究人員利用前向引用分析、共引分析和反向引用分析來進行創新技術趨勢分析[21]。基于此，本文采用專利分析法剖析我國納米技術創新發展演化路徑。目前，利用專利分析方法研究納米技術的發展路徑的文獻很少[22]。Wang等[22]采用文獻計量學和專利分析方法，詳細介紹了納米發電機技術的過去發展軌跡和技術重點，但仍是專注于指定的應用領域，缺乏對納米產業的整體視角的研究。

3 研究設計

3.1 理論基礎

Dosi[23]于1982年提出了技術軌跡理論，認為技術創新是沿著某種特定路徑的過程，認為技術進步源于科學進步、經濟因素、制度變量和既定技術路徑上未解決的困難之間的相互作用。自此，學者們通常采用技術軌跡理論來解釋技術創新中的連續和非連續性路徑變化[21,24]。而產業生命周期理論通常用于分析產業發展歷程[25]，為了強調技術的驅動作用，Phaal等人[26]擴展了傳統產業生命周期的內容，將新興技術發展劃分為基礎科學導向、技術導向、應用導向和市場導向四個階段。創新過程是復雜的技術發展，涉及社會和政策多方面得因素。這導致了高度的不確定性和不可預測性，嚴重影響了預測技術創新實際軌跡的精確性[27]。然而，為了制定有效的納米技術等顛覆性新興技術的創新推動戰略，需要分析整體產業創新的發展路徑，進而明確所處的發展階段，及時發現問題，最終提出科學的政策建議。在理論上，創新系統領域學者對創新過程的非線性和共動力問題進行了深入研究，決定創新成功的關鍵資源應該從不同創新者之間的互動中產生，即通過他們在網絡中的實際貢獻和創新活動中產生[27]。為了解釋新性技術的興起和發展，創新領域的學者們將其概念化為創新組織和機構的網絡組合，這些組織在特定的技術領域中相互作用，有助于新技術或新產品的產生、擴散和應用[28]。網絡分析法能夠有效地解釋針對新興技術開發和創新系統構建的戰略和創業行動[29]。基于此，本文引入專利引用網絡的分析方法，分析我國納米技術組織機構的技術網絡和相互間的知識互動作用。

綜上，基于以上理論分析，鑒于我國的納米技術仍是一項新興顛覆性技術[1]，本研究將基于技術軌跡理論分析我國納米技術發展路徑，并從Phaal的產業生命周期理論角度分析我國納米產業所處發展階段，進而提出相關的政策建議。

本文根據前人研究基礎和技術軌跡理論，從專利網絡結構[30]、專利知識流和專利網絡中心度三個維度來展開納米技術創新路徑分析[21-31],然后通過具體的專利分析方法，從產業生命周期的角度出發，分析我國納米產業的發展階段，最終根據發展路徑中的實踐問題，提出科學政策建議。

3.2 數據收集和研究方法

3.2.1 數據收集和樣本組織選擇

專利知識流間的頻繁互動，推動了越來越多的關于技術變革和創新的研究中使用專利分析方法，以識別企業產品創新和技術創新過程中的階段性特征[32]，專利數據因其作為技術指標的可用性和實用性而廣受歡迎[33]。本文基于現有文獻關于納米技術的關鍵詞，通過Thomson Innovation(TI)檢索和Derwent Innovation Index(DII)專利數據庫收集研究所需的專利數據。DII數據庫結合了來自Thomson Reuters科技與醫療集團出版的Derwent World Patents Index(德溫特世界專利索引，DWPI)和Derwent Patents Citation Index(專利引文索引，PCI)的專利信息資源，收錄來自全球100多個國家專利數據，時間最早回溯到1963年。本文基于專利申請年(優先提交年份)，收集了從1978年至2017年的22 108項專利(鑒于專利數據庫更新的滯后性，暫且剔除2018年的數據)。為了從國際產業發展視角衡量我國納米技術的發展階段，本文對比分析了我國納米技術創新路徑與發達國家納米技術發展軌跡，按照組織的專利數量排名，選取全球前57個納米產業組織為研究樣本，包括公司、大學和科研機構。

3.2.2 研究方法

本文從產業生命周期的角度，采用專利分析法，解析了我國納米技術的創新演化路徑。專利分析提供了對行業現狀和技術知識流的動向，進而幫助組織制定實現最大化研發(R&D)績效的戰略方向[22]。專利引用網絡是一個重要的指標，用來說明節點組織的作用和地位，分析知識流動的內部機制[21]，展示創新過程的方向，并提供一個很好的表征，說明隨著時間的推移，漸進式和激進式創新的發生方式[32]。因此，本研究引入專利引用網，分析我國納米技術組織與全球同行之間的知識流動情況，進而分析我國納米產業的創新路徑。

4 基于專利數據的實證分析

本文首先基于專利數據繪制圖1—3，圖1對比了我國和全球納米技術專利數量隨時間變化的路徑，圖2和圖3分別是(2007—2012)和(2013—2017)這兩個時間段的我國和主要納米大國的專利數量在全球的比例。圖1—3明顯可以得出我國在納米技術專利數量方面發展迅速，近五年擁有了全球79%的納米專利數量，已經成為專利技術大國。接下來，利用通過Thomson Data Analyzer (TDA)軟件和UCINET 6.0軟件構建了納米技術專利引用網絡(圖4—6)，通過對網絡數據進行深度挖掘和結果可視化處理，可得出網絡結構相關的指標值，如表1所示。為了對我國的納米技術進行更全面的分析，所有數據都基于前文中的57家全球納米技術組織(包括企業和科研機構)的納米專利數據。整體網絡(1978—2017)被用來全面分析納米產業的演變過程(1978年是本文收集到的專利數據優先年中最早的一年)。為了更好地觀察不同階段的技術創新路徑的演化，我們選擇了2007—2017年這段時間來研究近十年納米技術的變化。并將其分為兩個階段，以2012年為截止年，創建兩個子網絡(2007—2012)和(2013—2017)，進而更直觀地分析不同時間段中納米技術創新路徑演化情況。

圖1 中國和全球納米技術專利數量隨時間變化情況

圖2 納米技術專利數量比例(2007-2012)

圖3 納米技術專利數量比例(2013-2017)

4.1 專利引用網絡結構分析

如表1所示，密度值Density表示實際存在的連線數量除以理論中的最大潛在連線數；平均距離Average distance是指節點之間的平均最短路徑；基于距離的凝聚度Distance-based cohesion表示節點之間相互連接的比例，值越大表示網絡知識流互相合作的程度越高；碎片度Distance-weighted fragmentation表示無法相互連接的節點的比例；根據連線方向，將中心度進一步分為引出度Outdegree centrality(節點組織專利被其他組織引用的頻次)引入度Indegree centrality(節點組織引用其他組織專利的頻次)。第一，后期網絡(2013—2017)網絡的密度Density明顯比前期網絡(2007—2012)的密度值低，而圖1顯示，全球和我國納米技術專利的數量都在隨著時間的推移而增加(2017年是一個下降點，可能是由于專利數據庫更新的滯后性導致)。同時圖2和圖3顯示，自2012年以來，我國的納米技術專利總量和全球份額都有了大幅增長，我國已成為全球納米技術大國，專利數量全球第一。上述結果表明，自2012年以來，網絡中的我國納米技術組織專利數量越來越多，但專利技術合作程度有所下降。第二，專利網絡(2013—2017)的平均距離值較(2007—2012)明顯上升，表明網絡越來越復雜，因為組織之間的連接正在逐漸增加。將網絡(2013—2017)和(2007—2012)相比，基于距離的凝聚度Distance-based cohesion的下降和碎片度Distance-weighted fragmentation的上升都反映出節點組織間的凝聚力降低了，說明知識網絡(2013—2017)中可能存在更多孤島。第三，在中心度方面，三個專利引用網絡的引入度均高于引出度，這意味著網絡中知識吸收者多于知識輸出者。然而，將網絡(2013—2017)與(2007—2012)相比，引入度和引出度都有所下降，結合圖1—3得出的結果(2012年以來的專利數量顯著增加)，可得出，2012年開始，納米技術產業逐漸出現一些顛覆性專利技術，納米技術創新路徑經過突破性的非連續性技術節點，進入一種新的技術發展范式。

綜上，本文得出本節分析結果：我國納米技術專利和納米組織(企業或科研機構)的數量增長高于世界水平，但一些顛覆性技術專利的被引率還比較低，需要通過自主創新能力將突破性專利技術向實踐應用轉化。

表1 納米技術專利引用網絡結構指標

4.2 專利知識流分析

如圖4—6所示，納米技術組織的專利引用網絡，方框節點代表我國納米技術組織，圓形節點代表國際同行，每個組織名稱后綴以所屬國家的名稱表示，以便于識別。網絡中的節點代表樣本納米技術組織；而連接組織之間的連線，表示組織之間的知識流動是根據引用或被引用(不包括自引用)來進行的[21]，連線的粗度表示組織專利被引和引用頻次(即連線越粗，專利互引的頻率越高)；同時，節點大小表示組織專利被引用的頻次(即節點越大，被引用專利的數量越多，組織的專利越有價值)。一個平均路徑較短、被引率較高的節點組織，將以與技術創新相關的信息和資源優勢占據網絡中心地位。

圖4 納米技術專利引用網絡(2007—2012)

圖5 納米技術專利引用網絡(2013—2017)

圖6 納米技術專利引用網絡(1978—2017)

首先，三個專利引用網絡中處于中心地帶的領頭組織機構(更大、更中心的位置節點)，包括來自我國、美國和日本傳統組織機構，如清華大學、中科院、IBM和松下，而中國科學院明顯處于這三個網絡的核心位置，可能是由于其多樣化的研究模式和豐富的知識庫，因而技術創新能力強。在網絡(2013—2017)中，我國的一些大學，如浙江大學和北京化工大學，已經發展成為專利網絡中的領導型組織機構，這表明我國越來越多的納米技術組織在納米技術知識流動中開始發揮重要作用。通過比較后期網絡(2013—2017)與早期網絡(2007—2012)的結構特征，可以發現，許多我國大學機構從早期網絡的外圍向中心靠近，這表明我國越來越多的大學在納米技術研發領域發展迅速，在知識流動中起到了積極的作用。第二，網絡(2007—2012)中，代表中科院和清華大學等組織的節點普遍增大，表明2012年之后，我國大學組織納米技術創新活動取得了越來越有價值和突破性的值得被引用的知識，而且，這些核心節點組織之間的連線明顯更緊密，這表明我國的納米技術組織非常關注互相之間的合作。相反，將網絡(2013—2017)與(2007—2012)進行比較，可以發現，日本和美國公司變化不大，其中一些在網絡中的位置向邊緣靠攏，說明我國的納米技術發展速度超過了一些發達國家。第三，在這三個網絡中，我國的節點組織幾乎都是大學，只有兩家企業在網絡邊緣地區。相比之下，發達國家的企業組織在專利引用網絡的知識流中表現積極，并擁有更接近中心的位置，如IBM、松下和佳能。

綜上，本文得出本節分析結果：我國的大學和科研機構在納米技術領域發展迅速，在技術知識互動中起到積極的作用，但我國企業組織在納米技術知識流動中的作用非常有限。

4.3 專利引用網絡中心度分析

基于圖4—6，通過可視化軟件UCINET，得到反映節點組織創新能力的相關指標，選取其中排名前15的組織作為代表，形成如表2所示，凈值Net Citation是引出度減去引入度所得，用來區分知識吸收者和知識輸出者[31]；中心性betweenness centrality表示節點組織在專利網絡中知識流互動中的橋梁作用，即節點控制網絡信息和資源的能力。對納米技術網絡和網絡活動的專利分析揭示了該行業的知識流動態[21]。

首先，在網絡(2007—2012)中，日本的Hitach和Matsushita、美國的加利福尼亞大學，明顯擁有比其他組織更高的Net值，這表明它們在促進納米技術知識流動方面發揮了積極作用,在專利引用網絡中是知識輸出者角色，技術創新能力強。此外，盡管一些處于中心位置的節點組織，如IBM、三星和中國科學院的Net值是負值，但作為知識吸收者角色，這些組織具有較高的引入度In degree和引出度Out degree的值，這表明它們在網絡中知識流動中創新活動頻繁，通過學習外部知識和自主創新不斷提升組織整體的技術創新能力。網絡(2007—2012)顯示，大多數我國節點組織的引入度和引出度都很小，說明它們在知識流中的作用非常有限，大多數我國納米技術組織在2012年之前仍然是知識吸收者，自主技術創新能力較弱。第二，在網絡(2013—2017)中，一些國外節點組織，如XEROX和BAYER，它們的In degree和Out degree明顯減少，表明它們的技術創新活動頻率減少，在網絡中的知識流中互動作用降低。相比之下，一些我國大學的Net值在網絡(2013—2017)中變為正值，而且增加幅度明顯，如復旦大學和東華大學，說明我國越來越多的納米技術組織已經從知識吸收者轉變為知識輸出者；同時，盡管我國的另外一些納米組織機構，如天津大學和吉林大學，Net值仍是負值，在知識網絡中是知識的吸收者，但與早期網絡(2007—2012)的相比，它們引入度In degree和引出度Out degree的值明顯增加，說明這些組織越來越注重技術創新，努力吸收外部知識用作自身創新，在專利引文網絡的知識流動中發揮著越來越積極的作用。第三，在這兩個子網絡中，與發達國家企業機構相比，我國的企業節點的引入度In degree和引出度Out degree的值都較小，說明我國企業層面納米技術創新能力還較弱。但與網絡(2007—2012)中的相應值相比，網絡(2013—2017)中我國企業節點In degree和Out degree值都明顯增加，這些情況表明，自2012年以來，我國企業越來越注重技術創新能力的提升，以提高其在知識流動中的積極作用。

另外，結合圖4—6可以得出到，大學和科研機構是我國納米技術產業的主體，企業層面，我國只有中石化和BOE這兩家企業。相比之下，國外發達國家的許多公司，如美國3M和IBM、德國BASF和BAYER、日本CANON和SONY，在專利引用網絡中的知識流活動頻繁。以上結果說明我國企業層面的納米技術專利數量遠遠低于國外發達企業，企業層面的納米技術創新能力也比較低。

綜上，本文得出本節分析結果：我國納米技術產業在2012年之前基本處于知識引進階段，技術創新能力相比發達國家較弱，但進入2012年之后，整體產業加速了自主創新進程，成為納米大國，在全球納米產業中，處于由知識吸收者向知識輸出者變型階段，但我國納米產業的主體是大學和各類科研機構，企業層面的發展還處于初期階段。

表2 專利網絡中節點組織的中心度分析

5 結論與政策建議

5.1 結論

本文創新性地采用專利分析的方式，從專利網絡結構、專利知識流和專利網絡中心度三個維度剖析了我國納米技術創新路徑，揭示了我國納米技術產業的發展階段和地位，為納米產業組織機構和政策制定者的實踐活動提供了參考。首先，通過對專利網絡結構不同時間段的分析，得出我國納米技術發展速度超過國際水平，但還需要通過自主創新能力提升突破性技術的影響力；接著，基于專利引用網絡不同時期的知識流路徑分析，本文得出：我國的大學和科研機構在納米技術全球知識網絡互動中起到積極的作用，已處于專利網絡中的領導型地位，但我國企業組織在納米技術創新活動有限；最后，通過分析專利網絡中節點的中心度，得出納米產業技術創新能力在2012年之后迅速提升，在全球納米產業網絡中，我國的納米組織逐漸從知識引入者向知識輸出者轉化，但我國納米產業主體仍然是科研和大學組織，納米技術在企業層面的發展需要加大強度。

綜上，本文得出以下結論：我國在納米技術專利數量上已成為納米大國，整體產業在技術知識互動發展中處于由外部引用型向知識輸出型轉化階段，但我國納米產業的主體是大學和各類科研機構，企業層面的納米技術發展還處于初期階段，因而我國的納米技術產業在產業生命周期角度處于由基礎科學和技術導向型向應用型轉化階段。鑒于本文有足夠的樣本量和科學的選擇標準，上述結論可以推廣到整個納米技術行業。此外，考慮到類似行業發展的相似性，本文結論可以擴展到與納米技術類似的高科技型行業，如生物技術。

5.2 政策建議

基于本文研究結論，本文提出以下推動我國納米技術產業發展的政策建議：第一，雖然我國在納米技術專利數量上已居世界領先地位，但技術影響力較低，因此我國政府應進一步提出支持納米技術自主創新的政策；第二，為了提高技術專利向應用化的市場實踐，我國政府需要提出更多鼓勵企業參與納米技術研發的相關政策。建議從以下幾個方面著手：(1)努力建立有效的納米技術產業政策評估機制，提高政策的實際效用；(2)綜合利用大學等科研機構的資源優勢和創新平臺，推動大學與納米技術企業的產學研合作模式；(3)啟動系統化、綜合化的政策，支持企業的納米技術自主創新；第三，加強戰略規劃，在整個納米產業生態鏈中進行可持續發展的政策調整，而不是過度關注特定領域的納米科學研究。