[摘 要] 以压电陶瓷、形状记忆合金、自清洁与自修复高分子材料、电(磁)流变体、电(磁)致伸缩材料等为对象，分析了国际智能与仿生材料技术专利申请与研发情况，揭示了专利申请活动的时间、空间、机构、技术布局、重点专利技术追踪与演进等方面的特点，并对当前主要态势进行了总结分析。
[关键词] 智能材料 仿生材料 新材料 专利分析 专利地图
1 引言
智能与仿生材料是模仿生命系统、能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数、自身可做出所期望的能与变化后的环境相适应的自我调整的复合材料或材料的复合。它是同时具有感知功能、具有自己判断并自己做出结论的功能、具有自己指令并激励自己行动的功能的材料，因而具有类似于活的生物肌体组织那样的病变自诊断、外部伤口自愈合、环境自适应、预告寿命、甚至自分解、自学习、自增值、自组装、自恢复、应对外部刺激自身积极发生变化等功能效应。
20世纪80年代末，随着材料技术和大规模集成电路技术的发展与进步，美国军方首先提出了智能材料与结构的设想和概念，随后便展开了大规模研究[1] 。智能材料的基本组元有：压电材料、形状记忆合金、电 (磁)致伸缩材料、电(磁)流变体、光导纤维、各类半导体敏感材料和高分子智能材料[2] 。智能材料和系统具有广阔的应用前景，如应用在航空航天飞行器方面、土木建筑及混凝土方面、桥梁工程中、机器人、金属材料自愈合、控制振动与噪声、体育和医药、服务、透明材料等。目前，智能与仿生材料已成为材料科学发展的一个重要方向[3] 。
本文分析了智能与仿生材料领域的国际专利申请与研发情况。由于智能与仿生材料技术涉及多个领域，应用十分广泛，本文主要以压电陶瓷、形状记忆合金、自清洁与自修复高分子材料、电(磁)流变体、电(磁)致伸缩材料等作为分析对象(为方便表述，文中均统称为“智能与仿生材料”)。通过分析相关数据库收录的专利信息，从专利角度揭示了智能与仿生材料的国际研发现状、特征与发展趋势。
2 数据来源和分析工具
本次分析数据主要来源于美国汤森路透科技集团 (Thomson Reuters)的德温特创新索引(DII)数据库[4] 和 Aureka数据库[5] 。数据时间范围为2000至2008年，数据检索日截至2009年3月。
本次分析工具主要采用美国Thomson公司开发的 TDA(Thomson Data Analyzer) [6] 以及Aureka专利分析与管理平台。
3 结果及讨论
. 智能与仿生材料专利申请分布趋势
3.1.1 专利申请年度趋势
从2000年起截至检索日，智能与仿生材料技术专利申请共有3 529件。根据专利家族年统计，这些申请在总体上呈现逐年递增趋势，近3年来发展平稳(图1)。
由于专利从申请到公开之间存在时滞，因此2007年和2008年的实际数据应该大于图1所示。
3.1.2 专利数量国家/地区分布
专利申请的优先权国家与地区信息，一定程度上反映出专利研发的国家分布情况。分析显示(图2)，从智能与仿生材料技术专利申请数量角度，大致可将全球主要产出国家与地区划分为4级梯队。
(1)日本：几乎囊括本领域专利产出量的一半，专利申请内容体现出，日本电子企业的压电陶瓷组合物及使用该组合物的压电陶瓷器件等具有绝对领先优势;
(2)美国、中国：第二级研发力量，各类智能材料专利数量悬殊不大，在高分子自修复与自清洁材料方面，申请量高于日本;
(3)德国、韩国：第三级研发力量，二者专利申请分布最多的仍是压电陶瓷领域，此外德国在涂料组合物方面也有较高分布比例;
(4)欧洲专利组织、法国、英国、俄国、中国台湾省等：申请数据接近，可视为第四级研发力量。
进一步对比分析重要国家(地区)历年活动情况，可发现其间存在较大差异：
日本每年均保持了最高申请量，反映出研发界对该 领域的长期重视，起步早且投入持续，技术产出稳定。美国与中国的专利申请数量均表现出持续增长，中国的专利申请量逐年递增且增长势头迅猛，显示近年在该领域的专利创新步幅惊人，虽然与发达国家相比在该领域起步相对较晚，但有后起直追之势。德国、韩国的专利申请数量具有一定规模，历年增长趋势与日本类似，其间是否存在一定关系有待进一步探讨。其余国家与地区的历年申请活动并未间断，但总体产出数量不高，且波动明显，原因有待深入研究。
此外，近3年的专利申请活动分析显示：欧洲专利组织、英国、中国、美国四地的专利申请活动在近3年表现出最高的活跃程度;中国与美国近3年保持了高数量、高增长，相对于欧洲国家在小规模基数上的高增长率更有研究意义与说服力，因此若能进一步分析两国近 3年专利申请内容，在一定程度上能反映出两国在该领域技术创新活动的特点与走向。
3.2 智能与仿生材料主要竞争者构成
3.2.1主要专利权人(申请人)分布
(1)日本企业占据绝对优势
前10位专利权人中，有9家日本机构，包括日本 TDK株式会社、日本碍子株式会社(NGK)、日本京瓷公司(KYOCERA)、日本东金株式会社(TOKIN)、村田制作所(MARATA)、松下电器、日本电装、NEC等8家电子企业，以及1家研究机构——独立行政法人产业技术研究所。
日本企业在半导体陶瓷及其敏感元件研发方面有较长的研究历史与较深厚的实力，这些企业的雄厚实力构筑了日本在压电陶瓷领域的世界领先地位。如：TDK 株式会社的压电产品在世界较有影响;碍子株式会社制造用于输电和配电的绝缘体及其他产品，其所有产品都基于陶瓷技术，擅长于半导体生产中的陶瓷元件;日本京瓷公司，最初为一家技术陶瓷生产厂商;村田制作所，是一家全球性领先的综合电子元器件制造商，已拥有超过半世纪的陶瓷物料开发及制造经验;东光株式会社，是日本通讯元件大厂，有50年的线圈和变压器的生产历史。
独立行政法人产业技术研究所，专利申请内容大多是关于压电材料、形状记忆合金、磁致伸缩材料等。
(2)德国博世——入围前10强的唯一非日本申请人
位居第9位的德国博世(BOSCH)公司是入围申请量 10强的唯一非日本申请人。
博世的相关专利活动主要源自智能材料技术在汽车上的广泛应用。例如，博世自1990年就已经开始生产加速度传感器，在汽车领域的应用包括安全气囊防护系统、电子稳定程序ESP、防抱死系统ABS，以及针对报警系统、坡道辅助系统和主动悬挂系统中的倾角测量等，而此类系统最早采用压电陶瓷或霍尔设备作为其感应元件。
2000至2008年间，博世的专利技术内容主要是压电与磁伸缩材料及在汽车元件如传感器、致动器、燃料喷射阀等中的应用。
(3)美国申请人DRY CM DRY CM
(Dry, Carolyn M)以34项申请位居第11 位。主要专利申请技术是关于具有内置纤维的智能自修复材料。
(4)国内主要申请人
上海交通大学，位居第13位，大部分专利申请是关于形状记忆合金材料，其次是压电陶瓷，其他还有自清洁二氧化钛纳米薄膜、二氧化硅纳米纤维、生物仿生人工骨等。
中国科学院上海硅酸盐研究所、清华大学、四川大学，并列第15位。其中：中国科学院上海硅酸盐研究所几乎所有申请都是关于压电陶瓷材料及元件;清华大学的大部分申请是关于压电陶瓷材料及其元件，其余还有仿生水凝胶快速成形工艺、仿生骨复合材料、纳米材料等;四川大学的专利申请主要是压电陶瓷材料及元件，形状记忆合金申请量也不少，还有少量高分子凝胶材料及其智能给药载体、聚酯纳米复合材料等。
在高分子材料与相关技术如疏水表面技术方面，中国科学院化学研究所具有一定的研究实力。
此外，中国科学院金属研究所、广州能源研究所、物理研究所、理化技术研究所等都有相关专利申请。
国内主要申请机构见表1所示。从申请人分布特点来看，我国在压电陶瓷与形状记忆合金方面也具有一定的影响力。此外，目前国内的技术创新的主体仍集中在科研机构与高校，来自企业的申请数量有限，企业技术创新能力还有待提高。
3.2.2重点机构专利研发布局(基于德温特分类)
申请量前5强的专利技术主要分布特点显示(图4)：
(1)TDK公司：在8个技术方向都居于领先或近似领先地位，其中相对优势最突出的是压电、电致伸缩、磁致伸缩材料(U11-A02)、压电换能器(L03-G10A)、无机压电材料(L03-G09A1)、氧化陶瓷-压电体(L02-G07B);
(2)日本碍子：具有相对优势的是利用压电效应或电致伸缩的电动机、致动器，以及压电发动机(V06- M0 6D)，相对劣势主要体现在无机压电材料(L0 3 - D01B);
(3)日本京瓷：利用压电效应或电致伸缩的电动机、致动器，以及压电发动机(V06-M06D);
(4)日本东金：在各方向发展适中，各方向申请量比与10强在各方向的总体构成比基本一致;
(5)村田制作所：在机电换能器(L03-D04D)方面领先。
3.3. 智能与仿生材料领域专利技术构成
3.3.1智能与仿生材料技术研发主题分布
专利技术集群结果的景观图表现形式(图5)，显示了智能与仿生材料领域专利的技术分布情况。
(1)总体态势(2000-2008年)
表面自清洁涂料(Coating Surface Selfcleaning)、磁性材料与磁致伸缩材料领域(Magnetic Magnetostrictive Magnetic Field)、形状记忆合金(Shape Memory Memory Alloy Shape )三个主题方向的专利文献较为集中，是2000年以来领域研发人员高度相关的技术领域。其余专利文献群聚较明显的主题点还有：超声振动 (Ultrasonic Vibration Layer)、层表面的薄层工艺(Layer Surface Sheet)、仿生植入物与方法(Biomimetic Implant Methods)。
(2)2006年前后的研发重点
以2006年为界，分时段考察领域内的研发热点。
2000-2005年期间的相对热点研究主题包括：形状记忆合金、内电极层压材料(Layer Internal Electrode Laminate)、磁伸缩等磁性材料领域、物体表面调整助剂(Body Surface Container)等。其余专利文献分布较集中的主题还有：含磁致伸缩材料的致动器(Actuator Magnetostrictive Includes)、压电变压器的输入输出 (Piezoelectric Transformer Input Output)、表面自清洁涂料、带压电/电致伸缩膜的电极元件(Piezoelectric Electrostrictive Films Electrode)、聚合物基材料(PolymerMatrix Polymerizer)。
2006-2008年期间，领域内压电材料的研究热点有所细化，这期间专利申请比较活跃的主题有：合金的形状记忆温度(Alloy Shape Memory Temperature)、带磁伸缩材料的电磁线圈(Magnotostriction Magnetic Coil)、骨组织植体(Tissue Bone Implant)、电极表面的连接或涂覆(Electrode Surface Connected)、涂料表面特性(Coating Surface Properties)。
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同时可看到，2006-2008年间高分子领域的相关技术主题明显增多，包括材料与工艺方面，有：嵌段共聚相关工艺(Copolymer Block Relates)、金属化合物相关技术(Compound Metal Relates)、薄膜衬底的获得(Film Substrate Obtained)、自疏水表面(Hydrophobic Surface Self)、含纳米微粒的组合材料(Disclosed Composite Nanoparticle)、仿生高分子与交联高分子(Polymer Biomimetic Crosslinked)等。
3.3.2自修复与自清洁高分子材料的技术研发主题分布
针对智能与仿生材料2006-2008年专利景观图中高分子主题明显增多的现象，在此专门分析了自修复与自清洁材料专利(图6)。
(1)总体态势(2000-2008年)
层加工相关工艺(Related Layer Process)、聚合物分子及相关方法(Methods Polymer Molecule)、电动调节元件智能材料(Actuator Electrical Smart Material)三个主题方向集聚了大量专利文献。
(2)2006年前后的研发重点
2000-2005年间的热点研究主题包括：仿生系统方法(Biomimetic System Methods)，聚合物单体(Polymer Monomer Polymeric)，自清洁疏水表面(Surfaces Hydrophobic selfcleaning)，自修复调整助剂(Selfrepairing Repairing Container)，致动电信号(Actuating Electric Signals)等。
2006-2008年间：氢膜结构(Hydrogen Film Structure)，母体聚合材料胶囊(Matrix Polymerizer Capsules)，分子细胞纳米结构(Molecule Cell Nanostructure)。
3.4 重要专利技术追踪与演进分析
综合专利被引证频次以及专利申请人的行业地位等因素，筛选了智能与仿生技术领域的重要专利文献。通过专利引证关系，分析这些重点专利技术在领域发展中的演进过程，由此从特定角度考察行业技术的发展动向及影响。
3.4.1宝洁公司涂料组合物技术(WO000-A) WO2001096511-A2
WO2001096511-A2是宝洁公司于2001年申请的涂料组合物专利，自2001年底公开以来，共被引证24次。该专利公开了一种用于改性硬表面用的涂料组合物质及其制备与使用方法。该硬表面涂料组合物的特征在于含有许多非光敏纳米颗粒的表面改性剂，这些纳米颗粒在适合的载体介质中分散，以有效的量存在，从而在无生命硬表面上提供亲水性的涂层。这些表面改性可以产生持久的或半永久性的多用途效果，相对于未用这种纳米颗粒体系改性的硬表面来说，其包括至少一种下列提高的表面性质：润湿和形成薄层性、快速干燥、均匀干燥、去污、自清洁、抗污、抗污垢沉积、更清洁的外观、增加的光泽、增加的颜色、修复表面小缺陷、光滑、抗混浊、表面摩擦改性、活性物释放、和透明度。可通过(包括但不限于)辐射加热其上带有涂料的硬表面周围的空气来活性固化硬表面上的涂料组合物，用于增加硬表面涂层的耐久性[7] 。
(1)技术追踪分析(图7)
回溯引证分析显示，WO2001096511A2专利参考了多家公司在不同技术领域的多项在先申请。这些引文内容为研究宝洁公司该项申请的技术基础提供了相应线索，其中主要有：
拜耳公司(BAYER)：含纳米微粒的耐刮擦的透明涂料组合物(1999年);
住友化学(SUMITOMO CHEMICAL CO)：消雾剂组合物及用其涂敷的农膜(1996年);
巴斯夫公司(BASF)：含有表面反应性微粒的抗划伤性清漆及用其抗划伤的方法(1997年)。
除此之外，在直接与间接引证专利中，还有大量的洗涤剂与清洁剂组合物专利。
(2)技术演进分析(图8)
与回溯引证情况不同，WO2001096511-A2被宝洁公司自身的大量在后申请直接或间接引用，表明 WO2001096511-A2有可能为宝洁公司后来的技术研发提供了一个重要基础。直接与间接施引专利可为技术演进趋势提供一定参考。这些在后专利申请内容表现出的可能的技术演进方向主要有：
● 关于改性硬表面的涂料组合物、长效涂料及涂布方法、金属氢氧化物涂料等(2001、2002、2006年);
● 含纳米活性颗粒的表面助洗组合物及其制备方法，适用于陶瓷、钠、塑料、玻璃、涂漆表面(如汽车) 等清洁用(US6562142B2，2001年);
● 吸收芯及其制作方法，包括由多层表面构成的基底层、吸收材料的不连续层，吸收材料包括吸收性聚合物材料、吸收性纤维材料、热塑性材料层等;以及应用吸收芯制作的一次性吸收制品，例如尿布(2003、 2004、2008年)。——论文作者：张 娴
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