一種用于技術(shù)融合與演化路徑探測的新方法：技術(shù)群相似度時(shí)序分析法

陳悅，王康，宋超，左佳，潘云濤，高繼平

（1.大連理工大學(xué)科學(xué)學(xué)與科技管理研究所暨WⅠSE實(shí)驗(yàn)室，大連 116024；2.中國科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100038）

1 引言

顛覆性技術(shù)被視為“改變游戲規(guī)則（另辟蹊徑）”和“重塑未來格局”的革命性力量，對(duì)人類社會(huì)有廣泛且深刻的影響，因此，各國都十分重視顛覆性技術(shù)的識(shí)別與預(yù)測。由于圍繞大多數(shù)技術(shù)的社會(huì)技術(shù)領(lǐng)域（socialtechnical realm）固有的混亂，很難確定一項(xiàng)新技術(shù)的未來[1]。而顛覆性技術(shù)更是具有高度的不確定性，故發(fā)現(xiàn)并判斷技術(shù)顛覆性潛力一直以來都是顛覆性技術(shù)預(yù)見工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的大背景下，顛覆性技術(shù)可能源于重大的科學(xué)和技術(shù)突破，也可能是源于已有技術(shù)或多項(xiàng)技術(shù)的綜合交叉，其生成和發(fā)展的過程都是非常復(fù)雜的，從而決定了這類技術(shù)的識(shí)別尤為困難。盡管如此，研究者仍可以根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)和社會(huì)發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測[2]。

目前，針對(duì)專利技術(shù)演化路徑的研究多以專利引用網(wǎng)絡(luò)、國際專利分類號(hào)（Ⅰnternational Patent Classification，ⅠPC）為主。專利引用網(wǎng)絡(luò)方面主要集中于利用主路徑算法挖掘技術(shù)演化過程。例如，Verspagen[3]運(yùn)用主路徑分析方法研究了燃料電池的技術(shù)軌道；許冠南等[4]基于主路徑研究不同階段3D打印產(chǎn)業(yè)技術(shù)的演變情況；劉懷蘭等[5]以諧波減速器為例結(jié)合聚類分析和主路徑分析法，基于知識(shí)流動(dòng)視角構(gòu)建工程技術(shù)預(yù)測模型；張豐等[6]以燃料電池為例利用主路徑繪制其技術(shù)發(fā)展軌跡；閆杰等[7]利用凝聚子群識(shí)別出特斯拉純電動(dòng)汽車核心和非核心技術(shù)，并利用主路徑算法對(duì)技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行演化分析；孫冰等[8]以手機(jī)芯片為例識(shí)別技術(shù)擴(kuò)散主路徑。

主路徑分析方法能夠?qū)＠木W(wǎng)絡(luò)中衍生出來的眾多關(guān)鍵技術(shù)形成一條“技術(shù)軌道”，這一過程有助于理解關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)生過程，從而有效地分析技術(shù)演進(jìn)中的重要節(jié)點(diǎn)和發(fā)展趨勢。同時(shí)，主路徑分析也具有一定的局限性：一方面，專利引用存在著一定的時(shí)滯；另一方面，單純的主路徑分析難以實(shí)現(xiàn)學(xué)科（領(lǐng)域）演化的精細(xì)結(jié)構(gòu)揭示[9]為了克服專利引用網(wǎng)絡(luò)的缺陷，部分學(xué)者試圖通過國際專利分類號(hào)對(duì)技術(shù)融合與擴(kuò)散演化路徑進(jìn)行挖掘。例如，婁巖等[10]利用專利共類研究老年福祉技術(shù)與信息技術(shù)的融合；周磊等[11]改進(jìn)關(guān)聯(lián)規(guī)則算法基于ⅠPC規(guī)模賦權(quán)探究烽火通訊的光纖通訊技術(shù)融合趨勢；翟東升等[12]以云計(jì)算技術(shù)為例，根據(jù)時(shí)間區(qū)間計(jì)算技術(shù)間絕對(duì)影響（technology absolute influence，TAⅠ）和技術(shù)間相對(duì)影響（technology relative influence，TRⅠ）兩個(gè)指標(biāo)衡量技術(shù)融合程度，并通過劃分時(shí)間段構(gòu)建技術(shù)融合演化框架[13]；Suzuki等[14]以ⅠPC分類號(hào)共現(xiàn)為基礎(chǔ)，研究參與融合的各技術(shù)軌跡間的支持和互補(bǔ)關(guān)系。然而，目前，基于ⅠPC共類分析的研究主要集中于某時(shí)間段靜態(tài)技術(shù)融合的研究，或通過劃分時(shí)間區(qū)間分別對(duì)每個(gè)區(qū)間技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行研究，對(duì)于不同時(shí)間區(qū)間技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)以及技術(shù)其他演化方式（如擴(kuò)散、突現(xiàn)等）較少涉及。

因此，本文提出了一種用于技術(shù)融合與演化路徑探測的新方法，該方法以ⅠPC共類關(guān)系為基礎(chǔ)，利用社區(qū)探測算法劃分每個(gè)時(shí)間區(qū)間的技術(shù)群，通過余弦相似度關(guān)聯(lián)相鄰時(shí)間區(qū)間的技術(shù)群，然后通過可視化圖譜展示不同時(shí)間區(qū)間技術(shù)群之間的演化關(guān)系。本文以增材制造這一顛覆性技術(shù)為例，進(jìn)行實(shí)證研究，這種方法可以較為清晰、客觀地呈現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域的融合狀態(tài)和趨勢，為顛覆性技術(shù)的預(yù)測提供判斷依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

增材制造技術(shù)是一種自下而上、通過材料累加的制造方法，其有多種稱謂，如“快速原型制造（rapid prototyping）”“三維打?。?D printing）”“實(shí)體自由制造（solid free-form fabrication）”“材料累加制造”等。增材制造技術(shù)是基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)直接制造零件的科學(xué)技術(shù)體系，綜合了計(jì)算機(jī)的圖形處理、數(shù)字化信息和控制、激光技術(shù)、機(jī)電技術(shù)和材料技術(shù)等多項(xiàng)高技術(shù)的優(yōu)勢，將金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料通過不同方式進(jìn)行逐層堆積，制造出實(shí)體物品，被譽(yù)為將引領(lǐng)“第三次工業(yè)革命”的關(guān)鍵技術(shù)之一。綜合考慮查全率與查準(zhǔn)率，本文制定了檢索策略，TⅠ=("Additive Manufact*"OR"Rapid Prototyp*"OR"3D Print*"OR"three dimensional*print*"OR"Solid Free-form Fabricat*")，在Derwent數(shù)據(jù)庫中共檢索到31487條增材制造技術(shù)專利（檢索時(shí)間：2020年4月3日）。

2.1 技術(shù)域整體變化測度

某個(gè)技術(shù)域的整體變化，可以依據(jù)分析單元的顆粒度，從微觀、中觀和宏觀三個(gè)層面來反映，即可以分別從專利、技術(shù)和技術(shù)主題三個(gè)方面來分析技術(shù)域的整體變化。具體而言，本文從專利申請的數(shù)量統(tǒng)計(jì)，技術(shù)融合度、吸納力、繼承性以及技術(shù)主題挖掘，依序測度技術(shù)域整體的變化趨勢。

基于專利4位ⅠPC來表征技術(shù)，本文構(gòu)建了融合度、吸納力和繼承性三個(gè)技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)指標(biāo)。所謂融合度，是指某個(gè)技術(shù)域中各技術(shù)與其他技術(shù)的共現(xiàn)程度，即可以用總ⅠPC共現(xiàn)對(duì)數(shù)與總ⅠPC數(shù)的比值來測度，

所謂吸納力，是指某個(gè)技術(shù)域吸收新技術(shù)的能力，即可以用當(dāng)期新增ⅠPC占總的新增ⅠPC的比例來測度，

所謂繼承性，是指某個(gè)技術(shù)域已有技術(shù)的持續(xù)能力，即可以用當(dāng)期已有ⅠPC占比來表示，

其中，ipc_couple表示相關(guān)專利ⅠPC對(duì)數(shù)；ipc_new表示新增ⅠPC數(shù)。

本文基于專利標(biāo)題中的主題詞和專利申請年份，利用VOSviewer繪制時(shí)間-關(guān)鍵詞疊加圖，以呈現(xiàn)技術(shù)主題的變化趨勢。其中，分詞依據(jù)Rake算法和N-gram算法。首先，利用Rake算法，以標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、停用詞和其他不包含語義信息的單詞為分詞點(diǎn)，將長句分為若干短句；然后根據(jù)共現(xiàn)原理將短句中單詞的度與其頻次之比的總和作為該短句的綜合得分，

其中，Degree(wi)表示該單詞wi的度（每與一個(gè)單詞共現(xiàn)在一個(gè)短語中，度就加1，考慮該單詞本身）；Frequency(wi)表示該單詞在該文檔中出現(xiàn)的總次數(shù)。依據(jù)公式(4)的得分來判斷和識(shí)別詞組，分值越大則越有可能是一個(gè)詞組。但經(jīng)測試，該方法分出的詞組中摻雜較多短句，尚不能精準(zhǔn)地得到詞組信息。因此，本文在Rake算法的基礎(chǔ)上利用N-gram算法將短句進(jìn)一步劃分，生成Tri-gram（相鄰的3個(gè)單詞）、Bi-gram（相鄰的2個(gè)單詞）并統(tǒng)計(jì)匯總，最后人工篩選出高頻詞組并返回專利集提取，作為技術(shù)主題分析的數(shù)據(jù)源。結(jié)合時(shí)間要素將數(shù)據(jù)導(dǎo)入VOSviewer軟件進(jìn)行時(shí)間-技術(shù)主題變化挖掘，其中節(jié)點(diǎn)的顏色由關(guān)鍵詞所處年份的加權(quán)平均時(shí)間來確定，

其中，yeari為關(guān)鍵詞出現(xiàn)年份；countsi為關(guān)鍵詞出現(xiàn)年份時(shí)的頻次。

2.2 技術(shù)域的技術(shù)融合與擴(kuò)散路徑構(gòu)建

一個(gè)技術(shù)域是由若干個(gè)技術(shù)主題構(gòu)成的，而技術(shù)主題表征是由若干技術(shù)聚合而成的技術(shù)群。依據(jù)技術(shù)群相似性的時(shí)序變化，并利用可視化工具直觀地呈現(xiàn)一個(gè)技術(shù)域的技術(shù)融合與擴(kuò)散演化路徑。

2.2.1 技術(shù)群探測

本文提取每個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)專利ⅠPC分類號(hào)，并構(gòu)建共現(xiàn)矩陣，然后利用社區(qū)探測算法對(duì)共現(xiàn)矩陣進(jìn)行社區(qū)劃分，確定每個(gè)時(shí)間窗口技術(shù)所屬類別。其中，社區(qū)探測算法選用Louvain算法，該算法運(yùn)行速度較快，適用于龐大網(wǎng)絡(luò)的社群發(fā)現(xiàn)；同時(shí)，采用啟發(fā)式方式，能夠克服傳統(tǒng)Modularity類算法的局限，算法核心是最大化模塊度Q值。原理如下：首先，將所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)視為獨(dú)立的社區(qū)，遍歷每個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有相鄰節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模塊度，并將其歸為模塊度提升最大的相鄰節(jié)點(diǎn)所在的社區(qū)，直至每個(gè)節(jié)點(diǎn)所屬社區(qū)不再發(fā)生變化；其次，將社區(qū)進(jìn)行折疊作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這時(shí)邊的權(quán)重為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)所有原始節(jié)點(diǎn)的邊權(quán)重之和；重復(fù)執(zhí)行上述步驟直至迭代到完全收斂。模塊度的計(jì)算公式為

其中，m為網(wǎng)絡(luò)中邊的總數(shù)量；ki表示所有指向節(jié)點(diǎn)i的連邊權(quán)重之和，kj同理；Aij表示節(jié)點(diǎn)i和j之間的連邊權(quán)重；若ci=cj，則δ(ci,cj)=1，否則，δ(ci,cj)=0。

2.2.2 技術(shù)群相似度計(jì)算

針對(duì)相鄰時(shí)間窗口的技術(shù)群進(jìn)行相似度計(jì)算，確定技術(shù)群之間的演化與擴(kuò)散路徑。相似度指標(biāo)利用余弦相似度（cosine similarity），將每個(gè)技術(shù)群包含的ⅠPC映射為向量，通過計(jì)算相鄰窗口不同技術(shù)群之間的向量夾角余弦值來判定兩個(gè)技術(shù)群的相似性，該值越大表明相似度越高。具體計(jì)算公式為

其中，A和B為技術(shù)群對(duì)應(yīng)的向量。

2.2.3 技術(shù)融合與擴(kuò)散演化路徑繪制

通過上述兩步的計(jì)算，將相似度閾值大于給定閾值的技術(shù)群之間的關(guān)系用?；鶊D進(jìn)行可視化展示。?；鶊D中每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)技術(shù)群，算法自動(dòng)給出點(diǎn)度中心性最高的前三個(gè)ⅠPC代碼作為技術(shù)主題參考（如無法確定，可通過生成的表進(jìn)行技術(shù)群命名），線條粗細(xì)表示相似度大小。?；鶊D可直觀地顯示某一領(lǐng)域技術(shù)群之間的融合、分裂、擴(kuò)張、收縮、突現(xiàn)、消亡[15]等現(xiàn)象。

3 增材制造技術(shù)域的整體變化測度與趨勢

3.1 專利申請數(shù)量

增材制造技術(shù)的專利申請數(shù)量總體呈現(xiàn)出增長態(tài)勢（圖1）。增材制造的理念最早始于20世紀(jì)60年代，但是，直到1984年Charles W.Hull發(fā)明了光固化立體造型技術(shù)（stereo lithography appearance，SLA）時(shí)才取得了突破，該技術(shù)利用紫外光逐層照射光敏樹脂液面以固化成型，1986年Hull獲得SLA技術(shù)專利,并在其創(chuàng)立的3D系統(tǒng)公司發(fā)布了第一臺(tái)商用3D打印機(jī)SLA-1，由此開啟了3D打印征程。1986年，Carl Deckard申請了激光將粉末顆粒局部融合在一起的SLS（selective laser sintering，選擇性激光燒結(jié)工藝）技術(shù)，并于1988年獲得授權(quán)。1988年，Stratasys公司的聯(lián)合創(chuàng)始人Scott Crump申請了熔融沉積建模（fused deposition modelling，F(xiàn)DM）專利，該技術(shù)將融化擠出的材料逐層地在工作臺(tái)上堆積成型，F(xiàn)DM工藝為家用和商用3D打印鋪平了道路。由此可見，20世紀(jì)80年代是增材制造技術(shù)創(chuàng)新的重要時(shí)期。在不到十年的時(shí)間里，3D打印的三項(xiàng)主要技術(shù)獲得了專利。1995年，弗勞恩霍夫研究所（FraunhoferⅠnstitute）推出了用于金屬3D打印的選擇性激光熔化技術(shù)（selective laser melting，SLM），實(shí)現(xiàn)了無與倫比的精確度。伴隨著增材制造工藝的不斷發(fā)明與完善，增材制造技術(shù)開始在各個(gè)領(lǐng)域嶄露頭角，如生物醫(yī)學(xué)、航空、汽車、食品和服裝等產(chǎn)業(yè)。

雖然增材制造技術(shù)出現(xiàn)較早，但其發(fā)展較為緩慢。1967—2012年增材制造技術(shù)始終處于起步階段，每年的專利授權(quán)量、發(fā)明人數(shù)量和ⅠPC數(shù)量均處于較低水平。2013年是增材制造技術(shù)專利授權(quán)突發(fā)的一年，之后無論是年專利授權(quán)量、發(fā)明人數(shù)量，還是ⅠPC分類號(hào)數(shù)量均呈現(xiàn)井噴之勢，并于2017年達(dá)到高峰，2018年稍有下降，2019—2020年由于專利自申請到公開18個(gè)月的時(shí)滯，導(dǎo)致部分專利未統(tǒng)計(jì)完全。

由圖1可見，1967—2015年每年發(fā)明人總量大于專利申請量，展現(xiàn)了領(lǐng)域的吸引力，大量科學(xué)家進(jìn)入，但尚未充分發(fā)揮科學(xué)家的基數(shù)優(yōu)勢；2016年至今，專利申請量已超過發(fā)明人數(shù)量，科學(xué)家基數(shù)優(yōu)勢已逐漸顯現(xiàn)，但總體來說兩者之間的差異仍較小，增材制造技術(shù)發(fā)展前景依然廣闊。

3.2 技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)

本文引入融合度、吸納力和繼承性三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的描述。由圖2可知，增材制造技術(shù)的融合能力總體呈上漲趨勢，期間出現(xiàn)3次融合高峰。第一次出現(xiàn)于1989年，主要是由于增材制造核心技術(shù)專利EP431924-A的出現(xiàn)，該專利在該領(lǐng)域被引頻次最高（904次），其共享11個(gè)ⅠPC分類號(hào)，融合的技術(shù)涉及聚合物制造（如模制、擠出、成型、層壓和紡絲）、鑄造、粉末冶金（包括鑄造成型、造型機(jī)、模型、模具、型芯和金屬鑄件）、噴涂、霧化裝置與工藝、工業(yè)電氣設(shè)備、圖像數(shù)據(jù)處理或產(chǎn)生、電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理等材料、技術(shù)、工藝或裝置。該專利本質(zhì)上是一種使用計(jì)算機(jī)模擬的三維打印技術(shù)，用于制造模具和原型零件，特別是金屬鑄造模具和金屬基復(fù)合材料預(yù)制件的快速成型。第二次形成于2002年，由多個(gè)專利共同作用形成，包括三維打印設(shè)備的制造、對(duì)顆粒進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)以快速成型、可用于通過快速原型制備三維物體的可固化快速原型組合物、連接到通信網(wǎng)絡(luò)的三維打印系統(tǒng)等。第三次融合高峰持續(xù)至今，自增材制造技術(shù)進(jìn)入發(fā)展快車道以來，技術(shù)融合能力快速提高，表明技術(shù)融合是催生新技術(shù)發(fā)明的重要?jiǎng)恿Α?/p>

圖1 增材制造技術(shù)專利時(shí)間分布圖(2019—2020年數(shù)據(jù)不完整)

圖2 增材制造技術(shù)專利融合度、吸納力和繼承性的時(shí)序變化

增材制造技術(shù)發(fā)展初期領(lǐng)域吸納力較弱，2012—2014年該領(lǐng)域吸引力逐年增強(qiáng)，廣泛吸收新技術(shù)ⅠPC的進(jìn)入。隨著新ⅠPC的不斷涌入該領(lǐng)域達(dá)到暫時(shí)飽和，吸納力開始緩慢下降。但專利申請量和發(fā)明人數(shù)量仍然快速增長。這說明增材制造作為一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，其專門性逐漸增強(qiáng)。

除發(fā)展初期增材制造技術(shù)發(fā)展不穩(wěn)定外，自1995年至今該領(lǐng)域技術(shù)繼承性指標(biāo)總體呈現(xiàn)攀升的趨勢，說明該領(lǐng)域經(jīng)過早期的片段化、間斷式研究逐漸過渡到當(dāng)前的連續(xù)性、繼承性研究，研究主題趨于穩(wěn)定；同時(shí)，亦說明前期成果對(duì)后期研究的指導(dǎo)性越來越強(qiáng)，也表明這一技術(shù)領(lǐng)域的日益成熟。

3.3 技術(shù)主題變化

經(jīng)Rake算法和N-gram算法提取關(guān)鍵詞，并經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化、同義詞合并、無效詞刪除后，提取出3147個(gè)增材制造技術(shù)關(guān)鍵詞，導(dǎo)入VOSviewer軟件呈現(xiàn)出該領(lǐng)域的技術(shù)主題變化（圖3）。增材制造研究在2015年之后產(chǎn)生了大量的研究成果，在發(fā)展初期主要以實(shí)體自由制造、快速原型制造等術(shù)語出現(xiàn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，三維打印成為該領(lǐng)域的主流術(shù)語；2014年較多專利關(guān)注3D打印物品和支撐材料，之后關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到3D打印方法、系統(tǒng)與工藝；2016年是關(guān)鍵詞最為集中的一年，研究聚焦于3D打印機(jī)和3D打印所需要的材料；2017年3D打印裝置連接和金屬3D打印成為熱點(diǎn)；2018年電弧增材制造成為研究熱點(diǎn)。

圖3 增材制造技術(shù)主題

4 增材制造技術(shù)域的融合與擴(kuò)散演化路徑

4.1 技術(shù)群的提取

本文對(duì)于技術(shù)融合與擴(kuò)散演化路徑進(jìn)行研究，首先，需要對(duì)專利進(jìn)行劃分時(shí)間窗口，目前常用的是Time Line方法[16]和固定時(shí)間窗口[17]。Time Line方法復(fù)雜度較高，劃分效果難以保證，本文選擇固定時(shí)間窗口方法劃分8個(gè)時(shí)間分區(qū)，由于增材制造技術(shù)早期專利申請量較少，將1967—1999時(shí)間段歸為一個(gè)窗口，2000—2009年每5年歸為一個(gè)窗口，2010—2019年每2年歸為一個(gè)時(shí)間窗口，由于2020年目前僅授權(quán)2件專利，故將其歸為2019年。

對(duì)每個(gè)時(shí)間窗口中的專利進(jìn)行ⅠPC共現(xiàn)矩陣的構(gòu)建，并利用Louvain算法進(jìn)行社區(qū)劃分（圖4）和計(jì)算網(wǎng)絡(luò)基本指標(biāo)（表1）。2012年之前，專利申請量較少，所涉及的技術(shù)也相對(duì)較少，網(wǎng)絡(luò)密度為0.1～0.3，技術(shù)群在4個(gè)左右；2012—2017年，專利申請量快速增長，涉及的技術(shù)也大量增加，技術(shù)之間的聯(lián)系增加，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)密度逐年減小，技術(shù)群數(shù)量為6～8個(gè)；2018年之后，網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)指標(biāo)有所下降，最終形成9個(gè)技術(shù)群（表2），即關(guān)于3D打印的高分子(復(fù)合)材料、金屬加工技術(shù)、塑料和金屬材料工藝、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、生物醫(yī)療、食品加工、照明裝置、建筑技術(shù)和固定式或移動(dòng)式器件或裝置。

4.2 技術(shù)群相似度的時(shí)序變化

提取相鄰時(shí)間窗口余弦相似度大于0.2的技術(shù)群（詳見圖4中聚類間的連線），并繪制出技術(shù)融合與擴(kuò)散演化路徑（圖5）。圖5顯示了8個(gè)時(shí)間窗口的技術(shù)演化路徑，大體可以分為增材制造材料與工藝、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和應(yīng)用領(lǐng)域三個(gè)主路徑。其中，每個(gè)矩形表示一個(gè)技術(shù)群，用高點(diǎn)度中心性的三種技術(shù)來標(biāo)注；線條粗細(xì)表示相鄰技術(shù)群之間相似度大小。增材制造技術(shù)融合與擴(kuò)散路徑圖譜顯示：

（1）隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)群越來越多，技術(shù)越來越成熟，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展；

（2）該領(lǐng)域廣泛存在著技術(shù)融合和分岔現(xiàn)象；

（3）技術(shù)發(fā)展過程中會(huì)突現(xiàn)一些技術(shù)群，這類技術(shù)群有可能是之前未曾出現(xiàn)的新技術(shù)群，也有可能是之前中斷過又實(shí)現(xiàn)突破的技術(shù)群；

圖4 每個(gè)時(shí)間窗口具體技術(shù)群

表1 時(shí)間窗口劃分與技術(shù)群網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

（4）增材制造領(lǐng)域技術(shù)繼承性較強(qiáng)，相鄰窗口技術(shù)群相似度均低于0.2的技術(shù)群僅有4個(gè)，分別是2000—2004年（G21k、B81C、G01T）、2012—2013年（A41D、A61M、A62B）、2014—2015年（G01F、B64D、G01C）、2018—2019年（E05F、G07C、E06B），上述技術(shù)群均具有成員較少的特點(diǎn)。

表2 增材制造技術(shù)演化群

4.2.1 增材制造材料與工藝

高分子材料是增材制造技術(shù)的重要支持，其發(fā)展貫穿于增材制造技術(shù)演化的全過程。截至目前，高分子材料技術(shù)與1967—1999時(shí)間窗口出現(xiàn)的所有技術(shù)群（即高分子化合物、鑄造造型、塑料的成型或連接、數(shù)據(jù)識(shí)別技術(shù)和裝備）都存在關(guān)聯(lián)（見圖5），在2000—2004和2005—2009兩個(gè)時(shí)間窗口分化增材制造工藝，隨后2012—2013時(shí)間窗口融合了材料、3D打印工藝和印刷工藝三個(gè)技術(shù)群，之后未出現(xiàn)明顯的融合與分化現(xiàn)象，逐漸成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)群。增材制造工藝也貫穿于增材制造技術(shù)演化的全過程，其源于1967—1999窗口的高分子化合物、鑄造造型、塑料的成型或連接技術(shù)，在2005—2009和2010—2011時(shí)間窗口經(jīng)過兩次融合后，形成3D打印工藝及產(chǎn)品形態(tài)技術(shù)群，經(jīng)過分化形成3D打印工藝技術(shù)群，主要包括塑料3D打印工藝和金屬3D打印工藝。

材料和工藝作為增材制造技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，前者關(guān)乎增材制造應(yīng)用領(lǐng)域，后者關(guān)乎應(yīng)用質(zhì)量精度。高分子材料是增材制造原材料中用量最大、應(yīng)用范圍最廣、成型方式最多的材料，主要包括高分子絲材、光敏樹脂以及高分子粉末3種形式[18]。高分子絲材主要有聚乳酸（PLA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）、聚苯砜（PPSF）和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯-1,4-環(huán)己烷二甲醇酯（PETG）、聚醚醚酮（PEEK）等[19]。上述絲材通常使用“熱熔堆積成型技術(shù)”（FDM）進(jìn)行快速成型，該技術(shù)根據(jù)融化和冷卻成型特性將絲材融化，并通過壓力將其從擠出頭擠出，根據(jù)事先設(shè)定好的路徑，利用計(jì)算機(jī)控制擠出頭的打印軌跡，逐層材料堆積成型。光敏樹脂又稱光固化樹脂、UV固化樹脂，由聚合物單體、預(yù)聚體和光引發(fā)劑組成的液體，在一定波長的紫外光照射下立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。光敏樹脂成型工藝叫作“光固化立體造型技術(shù)”（SLA），將光敏樹脂液體浸過工作臺(tái)，通過紫外光照射液面，被照射到的部分立即固化成型，成型完一層之后，工作臺(tái)下降一層的高度，液面重新浸過工作臺(tái)，紫外光進(jìn)行下一層的固化照射，逐層固化成型[20]。高分子粉末由于所需燒結(jié)能量小、燒結(jié)工藝簡單、打印制品質(zhì)量好，已成為選擇性激光燒結(jié)打印的主要原材料，該技術(shù)利用激光燒結(jié)粉末材料作為黏合劑用于黏合金屬或者陶瓷等材料，以達(dá)到快速成型的目的。

圖5 增材制造技術(shù)融合與擴(kuò)散演化路徑

近年來，由于金屬具有良好的力學(xué)強(qiáng)度和導(dǎo)電性，金屬逐漸引起增材制造領(lǐng)域?qū)W界和業(yè)界的廣泛關(guān)注。2019年，國際3D打印博覽會(huì)在陜西西安開幕，論壇聚焦金屬材料及其復(fù)合材料的增材制造領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)，就金屬及金屬基復(fù)合材料的增材制造專用材料設(shè)計(jì)與開發(fā)、工藝創(chuàng)新、多工藝融合、裝備開發(fā)（包括軟件）、結(jié)構(gòu)與性能表征、復(fù)合技術(shù)應(yīng)用等方面進(jìn)行交流與分享，涉及航空航天、生物醫(yī)療、工藝裝備、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、金融教育等多個(gè)與增材制造相關(guān)的領(lǐng)域。常用的金屬材料有鈦合金、鎂鋁合金、不銹鋼、高溫合金等，選擇性激光熔是以金屬為原料的常用工藝，其使用金屬粉末代替SLS中的高分子聚合物作為黏合劑，打印出的成型產(chǎn)品精度和力學(xué)性能優(yōu)于SLS工藝。

4.2.2 增材制造計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

作為增材制造的輔助技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)始終伴隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)群以電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理（G06F）為核心進(jìn)行演化，雖然演化路徑較為單一，但卻是增材制造產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)必不可少的支撐技術(shù)。打印任何物品首先需要一個(gè)三維模型，建模過程需要計(jì)算機(jī)輔助完成，常用的建模軟件有Solid works、Alias、Rhino、Solid works、Sketch up和C4D等，這些軟件的出現(xiàn)為產(chǎn)品模型的快速設(shè)計(jì)以及增材制造進(jìn)入日常生活提供了條件。

4.2.3 增材制造應(yīng)用

目前，增材制造技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域主要集中于生物醫(yī)療領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域和食品領(lǐng)域。生物醫(yī)療3D打印由兩條路徑演化而來，其中主要的一條始于2012—2013相對(duì)較新的生物醫(yī)療技術(shù)群（A61F、A61L、A61K）。2016年，人骨的首次打印成功，激發(fā)了3D打印用于再生醫(yī)學(xué)；2019年，以色列特拉維夫大學(xué)利用增材制造技術(shù)通過人體組織細(xì)胞打印出一顆“完整”的活體心臟，可有效避免器官移植中的排斥現(xiàn)象，對(duì)未來器官移植具有重要意義；2020年，由于新冠疫情導(dǎo)致的醫(yī)療防護(hù)物資短缺，波音公司用3D打印出可重復(fù)使用的面罩，美軍F-35部隊(duì)用3D打印出N95口罩等。隨著3D打印技術(shù)的日趨完善，其在醫(yī)療生物用品方面發(fā)揮的作用愈發(fā)明顯。食品3D打印和建筑3D打印也屬于較新的技術(shù)群，均始于2014—2015時(shí)間窗口。例如，2014—2015年NASA進(jìn)行了3D打印食物和衣物的試驗(yàn)；2014年中國建成了首座3D打印房屋；2016年在迪拜國際金融中心出現(xiàn)全球最大的3D打印建筑——阿聯(lián)酋迪拜市政府辦公樓，建筑廢料比傳統(tǒng)建筑減少約60%。以上均說明增材制造技術(shù)正在走向成熟，正在應(yīng)用于各行各業(yè)，并取得了一定的成效。

5 結(jié)語與展望

繪制技術(shù)融合與擴(kuò)散演化路徑，有助于從整體上把握技術(shù)發(fā)展的態(tài)勢，并對(duì)于技術(shù)預(yù)測，尤其是顛覆性技術(shù)的識(shí)別與發(fā)展戰(zhàn)略的制定具有重要意義。本文以增材制造技術(shù)專利數(shù)據(jù)為分析對(duì)象，從專利文獻(xiàn)記錄層面、技術(shù)層面和技術(shù)域?qū)用嬉来螌?duì)該技術(shù)領(lǐng)域整體變化趨勢進(jìn)行測度，然后提出技術(shù)群性相似度時(shí)序分析法，從技術(shù)域內(nèi)部分析該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)融合與擴(kuò)散演化路徑。

本文的研究結(jié)論包括：增材制造技術(shù)處于快速發(fā)展時(shí)期，專利申請量、發(fā)明人數(shù)量和ⅠPC數(shù)量增長迅速；技術(shù)融合力和繼承性逐漸增強(qiáng)，即該技術(shù)經(jīng)過早期的片段化、間斷式研究逐漸過渡到當(dāng)前的連續(xù)性、繼承性研究；研究熱點(diǎn)呈現(xiàn)時(shí)間特性，由早期的實(shí)體自由制造、快速原型制造、連續(xù)層、快速成型裝置逐漸過渡到現(xiàn)在的3D打印物品、支撐材料、3D打印方法、系統(tǒng)與工藝、3D打印機(jī)與材料、連接裝置與金屬3D打印、電弧增材制造等技術(shù)；技術(shù)群逐漸豐富，技術(shù)融合與擴(kuò)散演化路徑明確，涉及三大主路徑，即增材制造材料與工藝、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和增材制造應(yīng)用領(lǐng)域。

本文提出的技術(shù)群相似度時(shí)序分析法主要是用于對(duì)技術(shù)主題變化背后的技術(shù)領(lǐng)域融合與分流機(jī)制的測度，從這一個(gè)視角探索一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域在歷史尺度下的發(fā)展趨勢，以便對(duì)其發(fā)展階段和顛覆領(lǐng)域的可能性作出判斷，也為顛覆性技術(shù)的識(shí)別和預(yù)測提供一個(gè)新的視角和新的方法。