4D打印技术专利申请态势.pdf

-41-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期专利分析研究内容随着 3D 打印技术、智能感应材料的发展，4D 打印的概念应运而生。4D 打印技术作为一种新兴的智能增材制造技术，其主要特点在于打印产品具备应激自动响应特性，可在不同激励条件下实现相应的形态及性质上的演变，是一种“动态”产品。4D 打印技术具有较好的应用潜力和广阔的市场前景，自 2013 年 2 月 MIT 的 Skylar Tibbits 团队提出 4D 打印概念以来，各国在全球 4D 打印方面的专利布局也悄然展开。因此，了解目前 4D 打印专利技术申请态势及主要目标市场布局具有显著的意义。本文针对 4D 打印技术的专利技术信息进行分析研究，为国家产业政策的制定、行业发展方向的确定提供信息支持。研究方法检索数据及筛选本文检索包括基本初步检索和全面检索两个阶段，针对中文数据库和外文数据库分别进行检索，从而避免由于数据库自身特点造成的检索数据遗漏。截至 2022 年 9 月 15 日，检索结果经同族合并、人工筛选，去除与 4D 打印技术不相关的专利文献，仅保留明确记载可用于 4D 打印技术的文献，共获得 787 件与 4D 打印技术相关专利文献量，其中中文 581 件，外文 206 件。查全率/查准率验证为保证检索质量，对专利检索结果进行了查全率/查准率验证。查全率=被检出相关文献量/总文献中所有相关文献量100%查准率=被检出相关文献量/被检出总文献量 100%本文查全率的评估办法是：选择重要申请人，以该申请人为入口检索全部申请，通过人工确认其在本技术领域的申请文献量，形成母样本；在检索结果数据库中以申请人为入口检索其申请文献量，形成子样本；以子样本/母样本100%=查全率，查全率为 97%。对于查准率，由于检索结果噪音较大，为充分确保检索数据可靠，采用人工筛查的方式对所有检索结果进行降噪处理，剔除与 4D 打印不相关的申请，保证了查准率为 100%。全球专利申请总体情况申请趋势分析图 1 显示的是 4D 打印技术全球申请趋势。由于 2021行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度4D 打印技术专利申请态势赵 冰 皇甫幼明 陈红奎 罗志昕赵 冰 皇甫幼明（等同第一作者）陈红奎 罗志昕国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-42-专利分析和 2022 年的专利申请存在公开滞后性的情况，故本节中2021 和 2022 年的数据不代表这两个年份的全部申请量。由图1可以看出，从2013年出现第一件相关专利以来，4D 打印技术的发展过程可以分为 2 个阶段。（1）萌芽期20132017 年底，这一时期，4D 打印技术专利处于起步阶段，专利申请较少。4D 打印技术最早源于美国麻省理工学院，Skylar Tibbits 等学者 2013 年 2 月底在 TED 大会上发布了该项技术，其认为 4D 打印并不是“第四维度”，而是材料可以自动变成为预设的模型，即通过软件设定模型和时间，变形材料会在指定时间之内变形为所需的形状。在 TED 大会之后，2013 年 48 月，我国申请人首先就 4D 打印技术提出专利申请。随后申请量缓慢增加，但申请量维持在较低的水平，且截止到 2017 年每年的专利申请量均在 40 件左右。在该阶段，专利申请主要涉及材料、刺激因子等基础研究。（2）成长期2018 年至今，4D 打印技术逐渐走入公众视野，成为研究焦点，以华中科技大学、哈尔滨工业大学、吉林大学等为首的科研院所相继出现研究 4D 打印技术的学者，因此专利申请量有所增长，并一直处于稳中有升的发展趋势，最高年申请量超过 190 件。在该阶段，专利申请主要涉及成型产品，以及 4D 打印技术在生物医学、航空航天、机械手等领域的应用。以上数据表明，4D 打印技术目前依然处于高速发展阶段，预计在未来的一段时间，随着人们对制造效率、生产成本、个性需求等方面的追求，4D 打印技术将会呈现较好的增长态势。图 2 显示的是 4D 打印技术申请人分布的几个主要国家，可见，4D 打印技术专利申请在申请国别上集中度非常高，中国、美国、韩国、德国等国家的专利占比较高，其中我国的申请数量遥遥领先。技术流向分析接下来从 4D 打印技术的来源地和目的地方面对 4D 打印技术进行分析，其中来源地为技术原创国家/地区，目的地为目标市场，目标市场分析能够反映申请人的战略意图，例如技术布局、市场占有等。在技术原创国家/地区分析基础上，进一步综合专利目的地，获得 4D 打印技术的全球专利流向。图 3 采用气泡图的形式，直观的展示出了五大技术来源区域：中国、美国、韩国、日本和欧洲国家在目标市场布局具体状况，体现了各主要技术来源地和目的地的技术流向。由图 3 可以得出，美国、欧洲、日本等均比较重视在其他国家的专利布局，而在对外输出中，美国占比较大。与之形成对比的是，虽然中国申请量位居全球第一，但主要是在国内申请，技术向外输出比较少。技术构成分析4D打印技术的专利申请主要涉及成型材料、刺激因子、程序控制、打印工艺、生产特定产品等几项技术，其具体申请量如图 4 所示。由图 4 可知，4D 打印技术的专利申请聚焦于生产特定制品、成型材料改进的领域，在刺激因子、打印工艺的领域有较低的申请量。这是因为该项技术以提高生产效率、满足个性化需求为目的，是一项偏向于产业应用的技术，材料的选择以及成型产品正是该项技术的发展方向，因此这两项技术的申请量较多。而关于刺激因子、打印工艺的申请量较少。这可能是由于“刺激因子”是利用各材料不同的物理、化学规律引起产品形状变化，涉及的物理、化学等基础学科，均已有较为全面的发展，进一步创新难度较大；而关于“打印工艺”，由于 4D 打印技术为在 3D 打印基础上增加了产品在时间维度的变形，而 3D 打印技术已经广泛应用于医疗、航空航天、工业制造等领域，也已经取得长足发展，进一步创新难度较大，因此，相关技术的专利申请量较少。国内专利申请总体情况申请态势分析图 1 4D 打印技术全球专利申请趋势图 2 4D 打印技术申请人主要国别排名图 3 技术流向分析-43-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期专利分析图 4 技术构成分析图 5 显示的是 4D 打印技术国内申请量趋势，图 6 显示的是国内重要申请人申请量趋势，从 20132022 年，我国范围内涉及 4D 打印技术的专利申请共计 581 项。从图 5 和图 6 可知，国内 4D 打印技术的发展周期与全球一致，截至目前，均为萌芽期、成长期两个发展阶段。20132017 年底这一阶段为萌芽期，在 2017 年之前均为蓄力发展阶段，2018年至今为成长期，专利申请量迎来增长。国内主要专利权人/申请人图 7 为国内历年专利申请总量排名前 10 的申请人，其中申请量超过 30 件的有华中科技大学、哈尔滨工业大学、吉林大学。由图 7 可知，国内申请人主要为高校，这是因为高校的研究方向广泛，研究人员普遍存在科研、创新的积极性，因此总量较大。在高校广泛开展研究的形势下，预计未来 4D打印技术将会为制造业发展带来较大变革。国内主要申请人 4D 打印技术专利申请情况由图 8 可知，哈尔滨工业大学 4D 打印方面的专利起步较早，其在 2015 年已开始申请 4D 打印相关专利，此后申请量基本保持较稳定的状态，其中 2017 年虽然没有申请，但在 2018 年出现较大增长，可能与专利申请的时间节点有关。华中科技大学 4D 打印方面的专利主要起步于 2017 年，此后申请量逐步增加，在2019年后迎来申请量的快速增长，而 2021 年和 2022 年的申请量较 2020 年有所下滑可能与专利申请的公开时间晚于申请时间有关。而吉林大学 4D 打印方面的专利起步于 2016 年，此后申请量在 2019 年达到较高的水平后保持稳定。通过对不同发明人申请数量以及在不同申请中发明人的关联程度进行统计分析，从图 9 中可以看出，华中科技大学4D 打印技术形成了三个主要的研究团队，分别以史玉升、宋波和闫春泽为团队的核心，研究团队有较高的内部关联度，但团队之间的横向关联不强，可能与研究团队的主要研究方向有差异相关。哈尔滨工业大学 4D 打印技术的研究团队也较为集中，主要是以冷劲松和刘彦菊为核心的团队，而以姜再兴为主的团队与主要研究团队之间没有关联性，这主要是因为姜再兴团队与主要研究团队来自哈尔滨工业大学的威海校区。而吉林大学 4D 打印技术的发明人较为分散，各团队图 5 4D 打印技术国内申请量趋势图图 6 4D 打印技术国内重要申请人专利申请趋势图 7 4D 打印技术国内重要申请人专利申请排名图 8 国内主要申请人 4D 打印申请量变化趋势中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-44-专利分析之间的关联性和交叉性较为复杂，没有形成突出的团队领袖。由图 10 中可以看出，华中科技大学的 4D 打印申请涉及的专利分类号虽然较多，但主要除了与 4D 打印工艺和设置相关的分类号 B33Y 和 B29C 外，还是以与金属粉末加工相关的分类 B22F 为主，这是由于虽然相关申请涉及机械手（B25J）以及血管支架（A61F）等较为广泛的学科及应用领域，但使用的材料仍以金属粉末为主，可见其在金属粉末加工领域具有一定传统优势。哈尔滨工业大学的 4D 打印申请涉及的分类号也较为集中，主要涉及智能生物医学器件领域（A61F），这主要是由于冷劲松和刘彦菊团队一直致力于智能材料与结构领域的研究，在智能聚合物及其复合材料、力学理论、智能主动变形结构设计以及智能结构的应用等方面，取得了较为系统的研究成果。而吉林大学的 4D 打印申请主要涉及 4D 打印技术本身的工艺或设备，而与 4D打印技术的应用领域关联性不强。此外，在全球专利布局方面，在华中科技大学的 58件 4D 打印相关专利申请中，有 2 件全球专利申请，主要涉及向 US 局和 JP 局的申请。分别为：中国同族公开号为 CN111409284A 的申请涉及一种基于 4D 打印的柔性压电传感器及其制备方法，以及中国同族公开号为CN113718368A 的申请涉及一种微纳米磁性纤维及微纳米磁性纤维制备方法。在吉林大学全球的 38 件 4D 打印专利申请中，有 1 件全球专利申请，其中国同族的公开号为 CN110422315A，涉及一种刚柔耦合无人机变形翼及其增材制造方法，而哈尔滨工业大学没有开展全球专利申请的布局。国外专利申请总体情况在全球范围内，4D 打印相关的专利申请中，中国专利申请与国外专利申请的比例大约为 65：35，其中，在国外的206件申请中，以US局为技术来源地的申请达到141件。由图 11 可知，国外 4D 打印方面的专利起步于 2013 年，此后申请量稳步上升，在 2018 后年超过 30 件后有所下降。由图12可以看出，国外4D打印申请涉及的分类号较多，但主要涉及智能生物医学器件以及机械手等，且国外申请在各个技术分枝均有发展。从图13中的国外前5大主要申请人的申请量可以看出，即使是主要申请人，其申请量也较小，各申请人均没有形成有效的技术路线。从图 14 中国外前 5 大发明人的申请情况可以看出，主要发明人的申请量均不大，但作为 4D 打印技术的首次提出者，Skylar Tibbits 以 4 项申请位居榜首。下面以发明人Skylar Tibbits 为主轴分析其技术路线：2014 年 2 月 25 日，Skylar J.E.Tibbits 作为主要发明人向 US 专利局提交了公开号为 US20150158244A1 的专利申请，其中涉及一种编码预测形状变化的增材制造对象及其制造方法，2015 的 10 月 8 日，Skylar J.E.Tibbits 作为主要发明人又向 US 提出了公开号为 US20160101594A1的专利申请，其中涉及一种自变形结构，并具体提出了该自图 9 国内主要申请人 4D 打印主要发明团队图 10 国内主要申请人 4D 打印主要技术分类分析图 11 国外 4D 打印申请量变化-45-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期专利分析转变结构包括具有边界和沿一个或多个轴形成编织图案的纤维的边界的柔性纤维复合材料，以及具有纹理图案的添加材料，2016 年 5 月 20 日和 2016 年 5 月 23 日，Skylar J.E.Tibbits 作为主要发明人又向 US 专利局分别提出了公开号为 US20160339627A1 和 US20160340826A1 的专利申请，其中涉及一种可变形材料或主动自转化纺织，由以上关于发明人 Skylar J.E.Tibbits 的申请过程可以看出，自其提出 4D 打印的概念以后，其研究的主要方向主要集中 4D 打印技术在织物复合材料方面，其研究重点也由基础性研究逐步转向其在特定领域的应用研究。4D打印技术的应用领域分析目前，4D 打印技术已广泛应用于生物医学、机器人、航空航天等领域。图 15 显示的是国内 4D 打印专利申请应用领域占比分析，图 16 显示的是国外 4D 打印专利申请应用领域占比分析。由图 15 可知，国内的 4D 打印专利申请有 31%未明确限定应用领域，是因为部分专利申请仅针对材料、刺激因子等方面进行研究。国内有 27%的专利申请涉及生物医学领域，例如涉及血管支架、骨组织、生物肌肉等方面的研究，在该领域，研究人员可以利用智能材料受到如温度、光、电等刺激因子的作用后发生变形，从而达到医学治疗目的。另外，涉及航空航天、机器人领域的专利申请均占比 8%，其中航空航天以及机器人领域的专利申请多数使用的材料是记忆合金以及记忆聚合物，小部分申请使用水凝胶作为打印材料，其刺激因子主要是温度，其次是电和磁。最后，还有26%的专利申请涉及仿生技术、传感设备、矿山工程、食品、鞋、阀门、升降机构等应用领域。由图 16 可知，国外的 4D 打印专利申请中生物医学领域占比最高，主要涉及对支架、人体植入物、矫正器等的研究；国外的4D打印专利申请中有25%涉及穿戴结构、建筑结构、制动器、鞋类等其它领域；另外，国外的 4D 打印专利申请有 26%未明确应用领域。总结本文通过对 4D 打印技术在全球范围内以及国内的申请趋势、主要专利权人以及主要申请人进行分析，统计数据发现，虽然我国在4D打印领域的研究数量已经有了很大发展，但我国 4D 打印技术的研究主要集中于一些高校研究机构，其研究的深度和广度还不够，技术向外输出的比较少，在国外申请 4D 打印技术领域的专利较少，高校应提高专利转化的能力，积极参与市场竞争与产业化运作，实现技术的经济价值。此外，国内科研机构缺乏国际市场战略布局的意向，我国除高校外的研发主体整体呈“小散弱”状态，中国企业及研究机构将来可能会遇到专利壁垒，应当给予 4D 打印技术的知识产权尤其是专利的价值应给予足够重视，加大对核心专利的投入、研究，鼓励国内企业及研究机构在全球实现专利布局。图 12 国外 4D 打印技术发展趋势图 13 国外 4D 打印主要申请人图 14 国外 4D 打印主要发明人图 15 国内 4D 打印专利申请应用领域占比图 16 国外 4D 打印专利申请应用领域占比