基于文獻計量和專利分析的中美腦機接口領(lǐng)域技術(shù)競爭態(tài)勢比較研究

于貴芳，王海蕓，李驍健，蘇 濤

（1.北京市科學技術(shù)研究院，北京 100089；2.中國科學院深圳先進技術(shù)研究院，廣東深圳 518055；3.深圳微靈醫(yī)療科技有限公司，廣東深圳 518055）

0 引言

伴隨新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速演進，腦機接口技術(shù)作為腦科學和類腦智能的交叉融合，已成為以美國為主要代表的發(fā)達國家科技戰(zhàn)略重點和布局的未來產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域之一，全球腦機接口技術(shù)發(fā)展進入技術(shù)和產(chǎn)業(yè)爆發(fā)期［1］。腦機接口技術(shù)的廣闊應用前景，促使世界主要科技大國在腦機接口領(lǐng)域加速設(shè)立技術(shù)壁壘，如美國商務部2018 年發(fā)布《出口管制改革法案》，禁止包括腦機接口技術(shù)在內(nèi)的14 項技術(shù)對中國輸出。“十四五”時期，國內(nèi)長三角、珠三角以及北京、天津、陜西等地也紛紛聚焦腦機接口出臺了一系列相關(guān)政策，著手創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的布局，國內(nèi)外關(guān)于腦機接口技術(shù)的競爭已經(jīng)展開。通過比較分析中國與美國在腦機接口領(lǐng)域的技術(shù)競爭態(tài)勢，對于中國進一步明確腦機接口技術(shù)未來發(fā)展方向?qū)⒕哂兄匾獑⑹疽饬x。

目前，關(guān)于腦機接口領(lǐng)域的研究主要聚焦在3個方面：一是關(guān)于腦機接口技術(shù)基本原理的研究。如完整腦機接口系統(tǒng)的組成［2］、不同類型腦機接口技術(shù)的基本原理等［3］。二是關(guān)于腦機接口技術(shù)應用的研究。腦機接口技術(shù)不僅廣泛應用于醫(yī)療領(lǐng)域［4］，在教育、軍事、金融、娛樂、智能家居等方面均具有應用前景［5］。三是關(guān)于腦機接口技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢的研究。如侵入式和非侵入式腦機接口技術(shù)的關(guān)鍵問題［6］、腦機接口領(lǐng)域未來研究前沿與趨勢等［7］。概括而言，已有相關(guān)研究著力從全球范圍來看腦機接口技術(shù)發(fā)展的整體現(xiàn)狀和趨勢，缺乏針對地區(qū)之間腦機接口技術(shù)競爭態(tài)勢開展比較研究。

腦機接口及相關(guān)的智能技術(shù)正在重塑未來科技和社會格局，不論是腦機接口技術(shù)本身，還是其轉(zhuǎn)化應用，我國都與美國存在較大差距。本研究嘗試通過腦機接口領(lǐng)域的文獻計量和專利分析，對中美腦機接口技術(shù)競爭態(tài)勢從多個維度展開深入比較分析，為我國進一步提升腦機接口技術(shù)的整體競爭力提供參考。基于中美兩國開展腦機接口領(lǐng)域技術(shù)競爭態(tài)勢比較研究具有理論和現(xiàn)實雙重意義和價值，在理論層面，本研究彌補了當前針對國家和地區(qū)之間腦機接口技術(shù)競爭態(tài)勢比較研究的不足，為開展技術(shù)競爭態(tài)勢比較研究提供了一個中觀視角；在實踐層面，本研究的研究結(jié)論將為我國各地促進腦機接口等未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供思路借鑒。

1 文獻回顧與分析框架

1.1 技術(shù)競爭態(tài)勢相關(guān)研究

通過技術(shù)競爭態(tài)勢的分析研究，呈現(xiàn)某一特定領(lǐng)域投入研究的主要區(qū)域、創(chuàng)新主體和熱點主題等，將對于該領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)政策的制定具有一定的借鑒和啟示意義［8］。目前，已有關(guān)于技術(shù)競爭態(tài)勢的研究，學者通常聚焦特定技術(shù)領(lǐng)域，基于專利數(shù)據(jù)或文獻數(shù)據(jù)展開。

梳理已有相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，大多學者基于專利數(shù)據(jù)進行技術(shù)競爭態(tài)勢的分析研究。學者基于不同的專利數(shù)據(jù)平臺開展了技術(shù)競爭態(tài)勢的相關(guān)研究。如鄭思佳等［9］和黃裕榮等［10］均是基于湯森路透集團提供的專利信息平臺，高楠等［11］、劉星等［12］、張貝貝等［13］、武建龍等［14］則采用了德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫分別針對具體技術(shù)的競爭態(tài)勢進行了分析，崔繼峰等［15］開展的技術(shù)競爭態(tài)勢分析數(shù)據(jù)來源于中國國家知識產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫，張軍玲等［16］考慮到incoPat 專利數(shù)據(jù)庫收錄的數(shù)據(jù)較為全面且更新周期短，從而應用incoPat 專利數(shù)據(jù)對技術(shù)競爭態(tài)勢和技術(shù)瓶頸進行了探討。技術(shù)競爭態(tài)勢的分析可以采用不同的方法，如鄭思佳等［9］創(chuàng)新性地引入t-SNE算法繪制關(guān)鍵核心技術(shù)原創(chuàng)國競爭態(tài)勢圖譜，并通過構(gòu)建技術(shù)差距指數(shù)定量評估關(guān)鍵核心技術(shù)競爭態(tài)勢。韓震等［17］通過代碼共現(xiàn)方法對技術(shù)領(lǐng)域的整體發(fā)展趨勢及競爭態(tài)勢進行解讀。學者們通過技術(shù)競爭態(tài)勢分析所關(guān)注的角度也有所不同，如高楠等［11］、武建龍等［14］均旨在把握某一技術(shù)領(lǐng)域在熱點研究主題上的競爭態(tài)勢，張軍玲等［16］重在分析技術(shù)競爭中創(chuàng)新主體的表現(xiàn)情況，李欣等［18］從專利布局策略的角度對戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的研發(fā)競爭態(tài)勢進行了研究，黃魯成等［19］則側(cè)重揭示不同區(qū)域的技術(shù)競爭策略和創(chuàng)新模式。

同時，也有的學者基于論文數(shù)據(jù)開展了某一領(lǐng)域技術(shù)競爭態(tài)勢的分析與研究。如劉久煜等［20］以萬方數(shù)據(jù)知識服務平臺和Web of Science 為數(shù)據(jù)來源，采用文獻計量學方法，分析了國內(nèi)外腦機接口技術(shù)的研究趨勢、研究現(xiàn)狀以及發(fā)展差距。李欣等［18］則綜合運用文獻計量和專利分析兩種方法，聚焦OLED 產(chǎn)業(yè)，分析了全球和中國的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)競爭態(tài)勢。

綜合已有相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，近年來關(guān)于技術(shù)競爭態(tài)勢比較的研究主要基于專利分析展開，聚焦在光刻［14］、區(qū)塊鏈［12，16］、極化碼［8］、人工智能［11］、電動汽車［10］、半導體照明［15］、芯片制造［13］、顯示產(chǎn)業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域［18］，針對腦機接口領(lǐng)域展開技術(shù)競爭態(tài)勢比較分析尚較為不足。一般而言，專利僅反映了某一地區(qū)特定技術(shù)領(lǐng)域的應用研究情況［21］。為保證技術(shù)競爭態(tài)勢分析的全面性，本研究借鑒李欣等［18］的研究方法，綜合應用論文和專利兩類數(shù)據(jù)資源，同時關(guān)注腦機接口的基礎(chǔ)研究和應用研究情況，對中美腦機接口領(lǐng)域的技術(shù)競爭態(tài)勢進行較為深入、全面的刻畫和比較。

1.2 分析框架

本研究基于論文和專利兩種數(shù)據(jù)，通過兩條技術(shù)路線，建立腦機接口領(lǐng)域技術(shù)競爭態(tài)勢比較分析的基本框架。第一條技術(shù)路線，為了使得本研究對于制定和優(yōu)化腦機接口技術(shù)研發(fā)投入政策更具參考價值，通過對國內(nèi)外已發(fā)表學術(shù)論文進行計量分析，從資助視角出發(fā)，比較分析當前腦機接口領(lǐng)域的主要資助主體、資助細分領(lǐng)域等情況，揭示腦機接口技術(shù)的基礎(chǔ)研發(fā)態(tài)勢［22］。第二條技術(shù)路線，通過專利分析從核心技術(shù)主題、專利布局特征、創(chuàng)新主體類型等多個維度，比較分析腦機接口領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)情況。基于兩條技術(shù)路線，本研究建立了如圖1 所示的分析框架。

圖1 中美腦機接口技術(shù)競爭態(tài)勢比較分析框架

2 技術(shù)領(lǐng)域與數(shù)據(jù)來源

2.1 腦機接口技術(shù)概述

腦機接口是一個硬件和軟件的集成系統(tǒng)，通過使用腦電和植入式電極采集的神經(jīng)電信號生成的控制信號，使人類能夠在不涉及肌肉活動的情況下，與他們周圍的環(huán)境進行交互，腦機接口創(chuàng)建了一個新的非肌肉通道，用于將人的意念傳遞給計算機、語音合成器、輔助設(shè)備和神經(jīng)假肢等外部設(shè)備［23］，或者把外部設(shè)備的信息直接輸入到大腦，從而極大地縮短人類學習新知識和新技能的過程［24］。

一個完整且普遍的腦機接口系統(tǒng)主要包括信號采集、信號處理、交互控制和反饋訓練4 個部分。信號采集模塊主要包括采集電極、信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號傳輸?shù)龋恍盘柼幚砟K包括信號預處理、特征提取與模式識別等；交互控制則是將不同的腦電特征轉(zhuǎn)換成控制指令，實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制；反饋訓練是通過訓練大腦對外部設(shè)備的控制，使相關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行重塑，建立新的腦控功能。

根據(jù)腦電信號收集位置的不同，腦機接口技術(shù)實現(xiàn)的方式可以劃分為三類［25］。一是非侵入式技術(shù)。該方法透過頭蓋骨和頭皮組織接受腦電信號，操作相對簡單，但通常無法收集到腦電信號的細節(jié)；二是半侵入式技術(shù)。該技術(shù)需要將裝置植入顱骨內(nèi)部的腦膜與大腦皮層之間，被認為是可長期使用的實現(xiàn)腦機接口技術(shù)的更好選擇；三是侵入式技術(shù)。該技術(shù)是指將微電極植入大腦皮層的特定部位，用于采集和監(jiān)測腦內(nèi)特定功能區(qū)域的信號，該方法具有高精度、高分辨率的優(yōu)勢，但可能因?qū)⑻结樦踩牖屹|(zhì)等操作帶來安全和倫理風險。同時，隨著時間的推移，電極植入?yún)^(qū)域及周圍易形成瘢痕組織的積聚，導致采集到的信號變?nèi)酰踔量赡懿杉坏叫盘枴?/p>

2.2 數(shù)據(jù)來源

論文數(shù)據(jù)來源于Web of Science、InCites、中國知網(wǎng)。其中，英文論文以Web of Science 和InCites 為數(shù)據(jù)源，檢索關(guān)鍵詞為“brain-computer interface” OR “brain-machine interface”，不設(shè)置檢索起始日期，截止日期為2022 年5 月4 日，在SCIE 和SSCI 數(shù)據(jù)庫中檢索得到英文論文7 077 篇。中文論文以中國知網(wǎng)為數(shù)據(jù)源，檢索關(guān)鍵詞為“腦機接口”，不設(shè)置檢索起始日期，截止日期為2022年5 月5 日，檢索得到中文論文1 058 篇。

專利數(shù)據(jù)來源于INCOPAT 數(shù)據(jù)庫。以中美獲批的發(fā)明專利申請和授權(quán)發(fā)明專利作為分析對象。專利檢索關(guān)鍵詞為“腦機接口”or “brain computer interface” or “brain machine interface” or “direct brain interface” or “direct neural interface” or “mind machine interface” or “neural control interface”，專利類型限定為發(fā)明申請和發(fā)明授權(quán)，檢索日期為2022 年4 月15 日，申請人國別限定為中國和美國，共檢索得到中國發(fā)明專利1 273 項，美國發(fā)明專利538 項。

3 基于論文的中美腦機接口技術(shù)競爭態(tài)勢分析

本文從政府資助視角切入，基于國內(nèi)外發(fā)表的學術(shù)論文進行計量分析，揭示中美腦機接口技術(shù)研發(fā)在主要資助機構(gòu)、資助學科方向和資助領(lǐng)域等方面的差異，對中美兩國腦機接口技術(shù)的基礎(chǔ)研究競爭態(tài)勢進行比較。

3.1 中美資助腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的主要機構(gòu)

我國資助腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的主要是中國國家自然科學基金委員會和各省市的自然科學基金委員會等機構(gòu)（見表1）。以中國知網(wǎng)為數(shù)據(jù)源，檢索得到的1 058 篇文獻中，有781 篇得到基金資助，獲得國家自然科學基金資助的文獻數(shù)為475 篇，占檢索得到文獻數(shù)的44.9%。獲得各省市自然科學基金資助的文獻比例是15%，排在前十位的有河北省自然科學基金和浙江省自然科學基金。同時，還有超過10%的研究獲得了國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863 計劃）、國家重點研發(fā)計劃、國家社會科學基金、國家科技支撐計劃的支持。其余資助機構(gòu)則主要是各省市的自然科學基金委員會。

表1 中國資助腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的主要機構(gòu)

美國資助腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的機構(gòu)則更加多元（見表2），也更為注重面向應用的腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)。以Web of Science 和InCites 平臺為數(shù)據(jù)源，共檢索得到SCIE 和SSCI 論文7 077 篇，其中3 816 篇獲得基金資助，占比53.92%。其中，獲得美國國立衛(wèi)生研究院及其所屬機構(gòu)（國家神經(jīng)疾病研究所、國家生物醫(yī)學成像生物工程研究所、國立兒童健康與人類發(fā)育研究所、美國國家溝通障礙研究所等）資助的論文數(shù)為1 791 篇，占比達到46.9%。美國衛(wèi)生人類服務部資助的論文為886 篇，占比為12.52%。此外，美國國家科學基金會、美國國防部、美國國防高級研究計劃局等機構(gòu)也貢獻了近10%的資助比例。

表2 美國資助腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的主要機構(gòu)

3.2 中美資助腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的學科方向

腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的資助學科方向主要聚焦在神經(jīng)科學與行為領(lǐng)域，其次為工程領(lǐng)域。本研究重點關(guān)注了中國國家自然科學基金和中央高校基本科研業(yè)務費，以及美國衛(wèi)生人類服務部、美國國立衛(wèi)生研究院、美國國家科學基金會、美國國防部等資助來源，對中美腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的資助學科方向進行比較。

來自中國國家自然科學基金和中央高校基本科研業(yè)務費資助的腦機接口論文主要為神經(jīng)科學與行為領(lǐng)域（見圖2 和圖3），總被引頻次最高的論文則主要在工程學科領(lǐng)域。可見，中國的相關(guān)資助機構(gòu)較為注重引導學者針對腦機接口技術(shù)的底層原理展開研究，但面向工程化應用的腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究更受研究者關(guān)注。

圖2 中國國家自然科學基金委資助學科領(lǐng)域

圖3 中央高校基本科研業(yè)務費資助學科領(lǐng)域

美國衛(wèi)生人類服務部、美國國立衛(wèi)生研究院、美國國家科學基金會、美國國防部等機構(gòu)也非常注重對神經(jīng)科學與行為學科領(lǐng)域的腦機接口技術(shù)研究的支持，且9 個美國機構(gòu)均有50%以上的資助經(jīng)費投入到了神經(jīng)科學與行為領(lǐng)域（見圖4）。根據(jù)美國衛(wèi)生人類服務部和美國國立衛(wèi)生研究院及其下屬機構(gòu)作為腦機接口領(lǐng)域主要資助機構(gòu)的特征，可以發(fā)現(xiàn)美國尤為重視通過腦機接口技術(shù)揭示生物學機制，以促進腦機接口技術(shù)在生物醫(yī)學領(lǐng)域中的應用。

圖4 美國主要機構(gòu)對神經(jīng)科學與行為學科領(lǐng)域腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的資助比例

3.3 中美資助腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的研究主題

為深入了解中美腦機接口技術(shù)資助的主要研究主題，本部分內(nèi)容應用VOSviewer 軟件基于SCI 論文關(guān)鍵詞的共現(xiàn)關(guān)系進行聚類，以分析各研究主題的布局情況。考慮到相關(guān)機構(gòu)所資助論文的數(shù)量及其在本國的重要程度，選取了中國國家自然科學基金委員會，美國國立衛(wèi)生研究院和美國國家科學基金會3 個機構(gòu)，對中美兩國所資助的腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的重點主題進行比較。

（1）中國資助腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的重點主題。應用VOSviewer 軟件對中國國家自然科學基金委員會資助的1067 篇SCI 論文構(gòu)建共詞分析網(wǎng)絡(luò)，據(jù)此可將其資助文獻的研究主題分為腦電信號提取及模式分析、腦電信號特征分類和電腦信號解碼及應用三類（見表3）。其中，腦電信號提取及模式分析主題，主要涉及誘發(fā)腦電的方式、腦電信號的提取和信息識別等；腦電信號特征分類主題，主要涉及腦電信號的特征分類及各種分類方法的優(yōu)化和使用；腦電信號解碼及應用主題，主要涉及腦電信號解碼的方法及其在部分疾病治療中的應用。

表3 中國國家自然科學基金委員會資助腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的重點主題

（2）美國資助腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的重點主題。美國國立衛(wèi)生研究院資助腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的重點主題。基于美國國立衛(wèi)生研究院資助的883篇SCI 論文，使用VOSVIEWER 軟件構(gòu)建共詞分析網(wǎng)絡(luò)，據(jù)此可將其資助論文的研究主題分為面向神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷與治療、運動神經(jīng)假體的臨床應用和腦機接口在神經(jīng)損傷康復中的應用三類（見表4）。其中，面向神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷與治療主題，主要涉及神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的電位誘發(fā)及治療診斷等；運動神經(jīng)假體的臨床應用主題，主要涉及如何運用神經(jīng)假體解決當前的一些神經(jīng)疾病；腦機接口在神經(jīng)損傷康復中的應用主題，主要涉及各種腦機接口技術(shù)在神經(jīng)損傷類疾病中的治療。

美國國家科學基金會資助腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的重點主題。基于美國國家科學基金會資助的342篇SCI 論文，使用VOSVIEWER 構(gòu)建共詞分析網(wǎng)絡(luò)，據(jù)此可將其資助文獻的研究主題分為腦機接口信號提取與分類、面向運動想象的腦機接口技術(shù)應用和腦機接口應用的底層原理研究三類（見表5）。其中，腦機接口信號提取與分類主題，主要涉及腦機接口信號提取的方法及其性能的研究；面向運動想象的腦機接口技術(shù)應用主題，主要涉及如何通過腦機接口技術(shù)實現(xiàn)面向運動想象的神經(jīng)控制；腦機接口應用的底層原理研究主題，較多涉及到關(guān)于神經(jīng)元、動力學、模型、算法等腦機接口底層實現(xiàn)的內(nèi)容。

基于以上分析可以發(fā)現(xiàn)，中國資助腦機接口領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的機構(gòu)主要是國家自然科學基金委員會，美國的資助機構(gòu)則更加多元化，由此也導致中國更為側(cè)重引導對腦機接口底層實現(xiàn)功能和方法等開展研究，聚焦于腦電信號的提取、分類方法的優(yōu)化，以及腦電信號的解碼等技術(shù)領(lǐng)域，美國則在注重開展腦機接口技術(shù)應用底層原理研究的同時，還尤為重視開展腦機接口技術(shù)在疾病診斷、治療與康復等醫(yī)學領(lǐng)域之中應用的基礎(chǔ)研究。

4 基于專利的中美腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究競爭態(tài)勢分析

本部分內(nèi)容的目標在于應用專利計量方法對中美腦機接口技術(shù)在應用開發(fā)環(huán)節(jié)的競爭態(tài)勢進行比較分析，重點圍繞各自側(cè)重的研究主題、創(chuàng)新主體類型和專利布局策略3 個方面展開。

4.1 中美腦機接口技術(shù)應用開發(fā)的重點主題

從發(fā)明專利總量來看，中國在腦機接口技術(shù)領(lǐng)域的專利量為1 273 項，大幅度領(lǐng)先于美國的658 項。應用基于概率模型計算的主題分析算法LDA（Latent Dirichlet allocation）模型，分別對中美兩國各自腦機接口領(lǐng)域發(fā)明專利的技術(shù)主題進行聚類，通過VOSviewer 軟件對各主題內(nèi)及主題詞間的共現(xiàn)關(guān)系進行可視化展示，兩國的腦機接口技術(shù)開發(fā)均主要聚焦五大主題，分別是多場景應用腦機接口設(shè)備、系統(tǒng)與方法，腦機接口優(yōu)化設(shè)計與信號分類，多模態(tài)與感官分析的腦機接口設(shè)備與方法，輔助控制與認知識別的裝置、系統(tǒng)與方法，以及腦機接口與編解碼的裝置、系統(tǒng)與方法。基于聚類結(jié)果，不同技術(shù)主題下中國和美國的腦機接口技術(shù)的發(fā)明專利數(shù)量及占比情況如表6 所示。

表6 不同技術(shù)主題下中美腦機接口發(fā)明專利數(shù)量及占比情況 單位：件

鑒于中美兩國推行的專利政策不同，從各技術(shù)主題專利數(shù)占總量的比重來分析更有必要。從各技術(shù)主題專利數(shù)量占比來看，中國腦機接口技術(shù)開發(fā)主要圍繞腦機接口優(yōu)化設(shè)計與信號分類和腦機接口與編解碼的裝置、系統(tǒng)與方法兩個領(lǐng)域，表明我國在腦機接口技術(shù)優(yōu)化設(shè)計和數(shù)據(jù)編解碼方向更具優(yōu)勢；美國則在多場景應用腦機接口設(shè)備、系統(tǒng)與方法，多模態(tài)與感官分析的腦機接口設(shè)備與方法，以及輔助控制與認知識別的裝置、系統(tǒng)與方法3 個技術(shù)主題上進行了更多的專利布局，表明美國在多場景應用、感官分析和認知識別等技術(shù)主題更為領(lǐng)先，側(cè)重于腦機接口方法和裝置的控制應用。可見，我國專利總量雖高于美國，在技術(shù)優(yōu)化方面也擁有較大優(yōu)勢，但在實際輔助控制和轉(zhuǎn)化應用等方面還有待加強。

4.2 中美腦機接口技術(shù)應用開發(fā)的主要創(chuàng)新主體

針對不同技術(shù)主題具體來看中美腦機接口技術(shù)涉及的創(chuàng)新主體情況：

（1）多場景腦機接口傳感與控制的設(shè)備、系統(tǒng)與方法技術(shù)主題。中國在該技術(shù)主題下的發(fā)明專利最少，申請人主要包括清華大學、北京理工大學、蘇州大學、天津大學、東南大學等高校，三星半導體（中國）研究開發(fā)有限公司、江蘇貝泰福醫(yī)療科技有限公司、蘇州神經(jīng)元電子科技有限公司、南京市夢棲梧科技有限公司等企業(yè)，主要聚焦腦機接口技術(shù)在車輛傳感與控制、色覺和視覺識別等領(lǐng)域的應用。美國在該技術(shù)主題下的發(fā)明專利數(shù)量是中國的近6 倍，申請人主要包括喚起神經(jīng)科學、美國華納兄弟娛樂公司、Cognixion、福特全球技術(shù)公司、Patroness、美國陸軍研究實驗室有限公司等企業(yè)，以及約翰霍普金斯大學、斯坦福大學等高校，主要聚焦在車輛、醫(yī)學、生物、神經(jīng)假肢、內(nèi)容等領(lǐng)域的傳感與控制設(shè)備的開發(fā)。

（2）腦機接口優(yōu)化設(shè)計與信號分類技術(shù)主題。中國在該領(lǐng)域的發(fā)明專利數(shù)量大幅領(lǐng)先美國，是美國的25 倍，申請人Top10 均為高校，包括天津大學、杭州電子科技大學、北京工業(yè)大學、西安交通大學、華南理工大學、華中科技大學、浙江大學、電子科技大學等，主要聚焦腦電信號分類方法和腦機接口優(yōu)化設(shè)計的開發(fā)。美國在該技術(shù)主題下僅19 件發(fā)明專利，且TOP10 發(fā)明人中有9 位為來自休斯頓大學、馬里蘭大學、斯坦福大學的教授，主要聚焦腦機接口優(yōu)化設(shè)計。

（3）多模態(tài)與感官分析的腦機接口設(shè)備與方法技術(shù)主題。中國在該技術(shù)主題下的發(fā)明專利數(shù)量較少，申請主體仍以高校為主，包括華南理工大學、東北電力大學、華中科技大學、天津大學、浙江大學、北京理工大學、西北工業(yè)大學等，以及中國科學院自動化研究所，主要聚焦聲源、嗅覺、攻擊、情緒識別、視覺、多模態(tài)以及車路協(xié)同控制等腦機接口方法與設(shè)備的開發(fā)。美國在該技術(shù)主題下的發(fā)明專利數(shù)量約為中國的2 倍，申請人以企業(yè)和大學為主，包括Neurosky、Neurable、Health Research、Brain Computer Interface 等企業(yè)，以及加州大學、密歇根大學、索爾克生物研究所等高校院所，主要聚焦視覺、感官、認知、心理評估等領(lǐng)域腦機接口方法的開發(fā)。

（4）輔助控制與認知識別的裝置、系統(tǒng)與方法技術(shù)主題。中國在該技術(shù)主題下的發(fā)明專利少于美國，申請人仍以大學為主，Top10 申請人分別為天津大學、浙江大學、清華大學、上海交通大學、中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學、北京腦陸科技有限公司、上海大學、中國科學院電子學研究所、北京機械設(shè)備研究所、重慶郵電大學，主要聚焦侵入式和非侵入式腦機接口器件、信號采集方法與裝置等技術(shù)方向。美國在該技術(shù)主題上的發(fā)明專利數(shù)量最多，占本國腦機接口發(fā)明專利總量的36.7%，申請人以大學和企業(yè)為主，Top10申請人包括加州大學、斯坦福大學、麻省理工學院、紐約大學、布朗大學，以及Starkey、Hi、Cyberkinetics 公司，主要致力于肢體運動恢復的侵入式腦機接口系統(tǒng)、聽覺改善裝置、精神和情緒障礙治療系統(tǒng)、生物接口系統(tǒng)與裝置的開發(fā)。

（5）腦機接口與編解碼的裝置、系統(tǒng)與方法技術(shù)主題。中國在該技術(shù)主題擁有的發(fā)明專利最多，是美國的十余倍，申請主體主要是高校，Top10 申請人有西安交通大學、華南理工大學、天津大學、中國醫(yī)學科學院生物醫(yī)學工程研究所、北京理工大學、東南大學、清華大學、北京大學、重慶郵電大學、昆明理工大學，其中西安交通大學、華南理工大學和天津大學共有發(fā)明專利共157 件，占中國在該技術(shù)主題擁有發(fā)明專利總量的30%，主要聚焦穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)電位腦機接口方法、智能護理裝置和自適應家居環(huán)境裝置及控制方法、腦控無人機與腦控機械臂系統(tǒng)及控制方法的開發(fā)。美國在該技術(shù)主題上的發(fā)明專利數(shù)量較少，申請主體以企業(yè)為主，如Neurolutions、Facet 實驗室、HRL 實驗室等企業(yè)，聚焦腦控制的身體運動輔助裝置和方法、極端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、用戶意圖提取等技術(shù)方向。

基于上述分析，中國在腦機接口優(yōu)化設(shè)計與信號分類、腦機接口與編解碼的裝置和系統(tǒng)與方法這兩個技術(shù)領(lǐng)域中的專利申請數(shù)量遠遠高于美國，而中國在多場景腦機接口傳感與控制的設(shè)備和系統(tǒng)與方法、多模態(tài)與感官分析類腦機接口、輔助控制與認知識別的裝置和系統(tǒng)與方法這3 個技術(shù)領(lǐng)域中的專利申請數(shù)量少于美國。此外，從獨立研發(fā)與專利合作的角度看，中國與美國在每個技術(shù)領(lǐng)域中的獨立研發(fā)比重均高于專利合作比重，說明兩國在腦機接口領(lǐng)域中都更傾向于獨立研發(fā)。但比較而言，美國相比于中國在腦機接口領(lǐng)域的專利研發(fā)中更傾向于尋求合作。

4.3 中美腦機接口技術(shù)應用開發(fā)的專利布局策略

在以上分析的基礎(chǔ)上，進一步從技術(shù)布局視角對中美腦機接口技術(shù)的專利布局策略進行比較分析，兩國在5 大技術(shù)主題上的專利技術(shù)布局情況見表7。

表7 中美兩國在五大技術(shù)主題上的專利布局情況

（1）多場景應用腦機接口設(shè)備、系統(tǒng)與方法技術(shù)主題。在該技術(shù)主題，中國專利的技術(shù)分布較為集中，主要分布在電數(shù)字數(shù)據(jù)處理方面，而美國專利則在多個技術(shù)方面均有分布。同時，中國專利主要在國內(nèi)進行申請和獲得授權(quán)，而美國專利則除在國內(nèi)申請外，在世界知識產(chǎn)權(quán)組織、中國、歐專局、加拿大等地均有較多數(shù)量的專利申請，地域布局范圍較廣，且數(shù)量也較多。

（2）腦機接口優(yōu)化設(shè)計與信號分類技術(shù)主題。中國在該技術(shù)主題的專利布局較多，但技術(shù)分布較為分散，涉及電數(shù)字數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)識別、表示處理的裝置或載體，以及診斷、外科、鑒定等。美國則在該技術(shù)主題的專利布局的專利數(shù)量較少，同時也涉及診斷、外科、鑒定，可植入血管內(nèi)的濾器、假體、為人體管狀結(jié)構(gòu)提供開口、或防止其塌陷的裝置，以及教育、演示用具火模型，用于教學或與盲人、聾人或啞人通信的用具等多個技術(shù)方向。在國家布局方面，中國專利的申請和授權(quán)仍以國內(nèi)為主，也在世界知識產(chǎn)權(quán)組織和美國、日本兩個國家進行了申請和布局。雖然美國在該技術(shù)主題上的專利數(shù)量較少，但也在世界知識產(chǎn)權(quán)組織、歐專局、德國和瑞典等專利局有所布局。

（3）多模態(tài)與感官分析的腦機接口設(shè)備與方法技術(shù)主題。中國在該技術(shù)主題上專利的技術(shù)分布較為集中，主要涉及診斷、外科、鑒定和電數(shù)字數(shù)據(jù)處理兩個技術(shù)方向，美國專利也主要布局在以上兩個技術(shù)方向。在國家布局方面，中國專利仍主要分布在國內(nèi)，少數(shù)專利在世界知識產(chǎn)權(quán)組織和美國、日本兩個國家進行了申請和布局；而美國專利，則在世界知識產(chǎn)權(quán)組織、歐專局、日本和中國等專利局有與國內(nèi)專利體量大致相當?shù)纳暾埡筒季郑赜蚝蛿?shù)量分布均更廣。

（4）輔助控制與認知識別的裝置、系統(tǒng)與方法技術(shù)主題。中國和美國在該技術(shù)主題上專利的技術(shù)分布均較為分散，且都主要涉及診斷、外科、鑒定，電療、磁療、放射療、超聲波療，以及電數(shù)字數(shù)據(jù)處理等3 個技術(shù)方向。在國家布局方面，中國專利仍主要分布在國內(nèi)，少數(shù)專利在世界知識產(chǎn)權(quán)組織和美國、日本和德國3 個國家進行了申請和布局；而美國專利還在世界知識產(chǎn)權(quán)組織、歐專局、加拿大和澳大利亞等專利局均有數(shù)量較多的申請和布局，地域和數(shù)量分布同樣也更廣泛。

（5）腦機接口與編解碼的裝置、系統(tǒng)與方法技術(shù)主題。中國在該技術(shù)主題上專利數(shù)量最多，但技術(shù)分布較為分散，美國專利雖整體數(shù)量不多，但布局也較為分散，都涉及電數(shù)字數(shù)據(jù)處理，診斷、外科、鑒定，專門適用于病人或殘疾人的運輸工具、專用運輸工具或起居設(shè)施，控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)及功能單元、相關(guān)監(jiān)視或測試裝置等多個技術(shù)方向。在國家布局方面，中國專利仍主要分布在國內(nèi)，部分專利在世界知識產(chǎn)權(quán)組織和美國進行了申請和布局，較少數(shù)量的也出現(xiàn)在歐專局和印度；而美國專利除在本國申請和獲得授權(quán)外，在世界知識產(chǎn)權(quán)組織、澳大利亞、歐專局和加拿大等專利局均有數(shù)量較多的申請和布局，地域和數(shù)量分布同樣更為廣泛。

綜合中美兩國在腦機接口5 大技術(shù)主題上的專利布局情況的比較發(fā)現(xiàn)，中國專利主要布局在多場景應用腦機接口設(shè)備、系統(tǒng)與方法和多模態(tài)與感官分析的腦機接口設(shè)備與方法兩大技術(shù)主題上。同時，我國腦機接口技術(shù)發(fā)明專利主要側(cè)重在國內(nèi)申請和獲得授權(quán)，在世界知識產(chǎn)權(quán)組織、美國、韓國、德國、日本、歐專局等地僅有少量申請和布局。美國專利在五大技術(shù)主題中，無論是IPC 技術(shù)方向，還是專利國家布局方面，均表現(xiàn)出較為均衡和廣泛的專利布局態(tài)勢。

5 結(jié)論

腦科學與人工智能的融合日益深化，作為交叉領(lǐng)域的腦機接口有望驅(qū)動醫(yī)療科技發(fā)生顛覆性變革，腦機接口技術(shù)已成為以美國為主要代表的發(fā)達國家科技戰(zhàn)略重點和力推的核心領(lǐng)域之一。客觀認識和全面理解中美腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究和應用開發(fā)的競爭態(tài)勢，將為我國在培育和發(fā)展腦機接口技術(shù)和產(chǎn)業(yè)過程中制定有關(guān)政策提供借鑒。本文聚焦中美腦機接口技術(shù)競爭態(tài)勢，基于文獻計量和專利分析，比較分析發(fā)現(xiàn)：美國腦機接口技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應用研究之間呈現(xiàn)更強的連貫性和融通性，且注重開展應用導向下的基礎(chǔ)研究，我國則主要停留于對腦機接口技術(shù)的純基礎(chǔ)研究；中國資助腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的機構(gòu)主要是國家自然科學基金委員會，美國的資助機構(gòu)則更加多元；中國開展腦機接口技術(shù)應用研究的創(chuàng)新主體以大學為主，美國則主要是企業(yè)和大學；在腦機接口技術(shù)專利布局方面，中美兩國均試圖覆蓋更多技術(shù)方向，但中國的專利主要分布在國內(nèi)，僅有少數(shù)專利在國外進行申請，而美國除主要在國內(nèi)申請外，在世界知識產(chǎn)權(quán)組織、歐洲、中國、日本、澳大利亞、加拿大等地也申請了大量專利，地域布局范圍較廣，且數(shù)量較多。

為進一步提升我國腦機接口技術(shù)的整體競爭力，本研究提出三方面建議。第一，強化腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的應用導向。一是廣泛了解國家有關(guān)部門的應用需求，支持其發(fā)布腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的資助指南；二是建立更加多元的基礎(chǔ)研究資助體系，一方面繼續(xù)加大國家自然科學基金和國家各類科技計劃對腦機接口技術(shù)基礎(chǔ)研究的支持力度，另一方面支持企業(yè)、大學、科研機構(gòu)、醫(yī)院等設(shè)立聯(lián)合基金，協(xié)同推進腦機接口的基礎(chǔ)研究工作；三是鼓勵大學組織開展應用導向下的基礎(chǔ)研究。第二，逐步引導企業(yè)成為腦機接口應用研究的主力軍。調(diào)整當前腦機接口領(lǐng)域應用研究活動執(zhí)行主體的結(jié)構(gòu)，逐步改善對大學過于依賴的現(xiàn)狀，引導企業(yè)，尤其是領(lǐng)軍企業(yè)在腦機接口技術(shù)的應用研究中發(fā)揮重要作用。第三，鼓勵創(chuàng)新主體在全球范圍進行專利合作與布局。鼓勵各類創(chuàng)新主體加強與美國相關(guān)機構(gòu)建立知識產(chǎn)權(quán)合作機制，掌握目標國市場和制度特征，深化和拓展在全球主要國家和地區(qū)的腦機接口專利戰(zhàn)略性布局。

本文參考已有文獻，基于文獻計量和專利分析對中美腦機接口領(lǐng)域的技術(shù)競爭態(tài)勢進行了分析，但腦機接口技術(shù)的競爭不僅體現(xiàn)在高水平論文和高質(zhì)量專利中，還體現(xiàn)在商業(yè)化應用方面，從創(chuàng)新鏈視角出發(fā)，開展相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)競爭態(tài)勢的比較和研究將更加系統(tǒng)和全面。