从床垫到医疗设备，形状记忆材料在工业领域的应用越来越广泛。商业智能顾问兼Chemistry专家 Donia Ben Zakour 解释了 Questel 的专利态势分析揭示了这一快速增长领域的创新情况。
形状记忆材料 (SMM) 是一种先进材料，在受到特定刺激后变形后可以恢复到预定义的形状。这种独特属性源于它们能够进行“可逆相变”，触发这种转变的最常见刺激是热、光和磁场。
在本博客的第二部分中，我们将分享我们对 SMM 的专利态势分析，包括过去 20 年的申请动态、主要参与者、塑造该领域的突破、市场覆盖范围和地理热点。在第一部分中，我们将介绍我们研究涵盖的领域。
第一部分：什么是形状记忆材料？
SMM 主要有两种类型：形状记忆合金和形状记忆聚合物。它们的成分、机制、应用和主要参与者（根据我们的专利态势分析确定）总结如下。
形状记忆合金 (SMA)
作品：
通常由镍钛 (NiTi)、铜铝镍和铜锌铝等金属合金制成。
机制：
SMA 可以在两种不同的晶体结构之间发生可逆相变：高温相称为奥氏体，低温相称为马氏体（如下图所示）。
应用：
SMA 广泛应用于各个领域，包括：
医疗器械（支架、导丝）：
美敦力在其自膨式支架中使用了 SMA，该支架可以在插入时压缩，然后在到位后膨胀以支撑血管。
Ormco以其牙齿矫正创新而闻名，它将 SMA 融入各种牙齿矫正器中，从传统的托槽和钢丝到尖端的透明矫正器。
机器人技术：
SRI International开发出了机器人夹持器，它利用 SMA 来调整其形状，以便更好地处理物体，从而增强了机器人系统的多功能性。
航空航天部件：
NASA将 SMA 集成到航天器的可部署结构中，使组件能够适应任务期间的不同条件。
波音公司在飞机系统中采用 SMA，例如可通过调整变形机翼设计来提高燃油效率和机动性。
消费电子产品：
Cambridge Mechatronics专门生产用于智能手机相机光学图像稳定和自动对焦系统的 SMA 执行器，其各个品牌的出货量超过 5000 万台。
形状记忆聚合物（SMP）
作品：
由聚合物制成，受到外部刺激后可以恢复到原来的形状（见下文）。
机制：
SMP 通过热转变或化学反应改变形状，使材料软化然后硬化回其原始形状（如下图所示）。
应用：
SMP 越来越多地被用于许多创新应用，特别是在生物医学设备和智能纺织品领域。
例如，强生旗下的Ethicon利用SMP技术研发出手术缝合线，这些缝合线可以在愈合过程中自动调节张力，适应身体需求，促进更好的康复效果。
在智能纺织品领域，Schoeller Textil AG 等公司已将 SMP 集成到织物中，使服装能够适应温度或运动的变化。该技术还应用于柔性电子产品和自修复材料，为各行各业更具响应能力、适应性更强的产品铺平了道路。
第二部分：我们的研究结果专利态势分析
专利态势分析为创新提供了宝贵的见解，包括帮助我们预测技术的未来。在本部分中，我们将分享我们对 SMM 创新的专利态势分析可以告诉我们有关这些材料的下一代的信息，包括这些创新解决方案背后的主要行业参与者和主要研发 (R&D) 市场。
方法论和数据库
为了了解该技术的创新和研发活动，我们使用专有的知识产权情报软件进行了宏观搜索。通过分析利用我们的IP咨询服务专业知识收集的专利，我们能够对该领域的研究进展和投资形成引人入胜的全球洞察。
该数据库总计包含过去 20 年内提交的 34,267 个专利家族。
专利动态：形状记忆材料的主要发现
如下图所示，随着航空航天、汽车和医疗保健等各行各业对 SMM 技术的需求不断增长，SMM 专利申请量从 2004 年到 2023 年呈现明显上升趋势。同样，对可持续性和智能材料开发的日益关注也刺激了创新。
*由于出版延迟 18 个月，年份不完整
这些动态展示了二十年来 SMM 专利的演变。2020 年授予的专利数量达到顶峰，为 916 项，而 2010 年为 534 项，增长了 71.5%。
此外，正在申请的专利数量增加了280%，从2004年的147项增加到2020年的559项，凸显了持续的创新和强劲的市场需求。
主要趋势：备案期限
2004 年至 2012 年：此期间授权专利和失效专利数量均呈现稳定适度增长，而待批专利数量则没有得到显著跟踪。
2013-2016年，专利授权量大幅增加，进入授权率较高的时期。
2017-2021：这一趋势将继续，已授权和正在申请的专利数量将持续增加，并在 2021 年达到顶峰。
2022-2024 ：不完整年份但仍显示较高数字，表明该领域持续存在兴趣和创新。
形状记忆材料领域的顶尖企业
下图按专利活动列出了 SMM 领域的顶尖参与者。
排名前五的是：
（1）哈尔滨工业大学 (HIT)：哈尔滨工业大学是中国著名的研究型大学，在 SMM 相关的专利活动中处于领先地位，已获得 231 项专利。哈尔滨工业大学的研究人员探索了 SMM 在航空航天应用中的使用，例如可展开结构和自适应组件，以提高太空任务的可靠性和性能。他们的研究还包括利用 SMM 开发软机器人夹持器以及将 SMM 集成到纺织品中。
（2）通用汽车全球技术运营部：通用汽车的无效专利数量（205）远高于已获授权的专利数量（178）。该公司在一系列汽车部件中采用 SMM，尤其是形状记忆合金 (SMA) 和聚合物 (SMP)，以提高功能性和性能。例如，它们在自适应部件和主动汽车表面中的应用。
（3）波士顿科学公司 (Boston Scientific Scimed)和（4）美敦力公司 (Medtronic)：这两家公司以专利分布均衡而著称，拥有相当数量的已授权专利（分别为 130 项和 142 项）和一些正在申请的专利，但也有相当数量的无效专利（分别为 84 项和 72 项）。
波士顿科学公司的专利涵盖了与 SMM 相关的广泛创新，重点关注其加工、组成、在医疗设备中的应用以及性能增强。
作为热塑性塑料研究领域的领导者，美敦力的研究兴趣涉及几乎所有形状记忆聚合物，该公司拥有各种医疗应用的专利，包括支架、消融元件、听小骨假体、青光眼手术器械、缝合线、椎间植入物和心房分流器。此外，该公司还开发了使用真空沉积工艺将 SMM（如镍钛 (Ni-Ti)）薄膜沉积到基板上以制造微执行器的方法。
（5）库克医疗：库克医疗是全球领先的医疗器械公司，拥有大量已获授权和正在申请的SMM相关专利，主要专注于SMA和SMP在医疗器械领域的创新应用。这些包括内窥镜设备、消融器械以及利用形状记忆特性在手术过程中有效止血的止血夹和钳子。
新进入者（2016 年及以后）
如果我们按首次应用年份检查数据（如下表所示），随着新参与者进入该领域，这种技术重点的转变变得更加清晰。
这些包括：
剑桥机电一体化 从 2016 年开始成为关键参与者，专利申请量快速增长，在 2020 年达到顶峰，此后持续强劲增长。
Edwards 生命科学也在 2017 年之后开始增长，2017 年和 2018 年共获得 11 项专利，2023 年达到峰值，共获得 37 项专利。
三星和 LG等公司在 2006 年至 2017 年间逐渐增加了活动，反映出消费电子行业对 SMM 技术的参与度越来越高。
如表所示，一些公司已经停止或放缓了SMM专利申请：
通用汽车的参与度在 2010 年达到顶峰，然后在 2012 年后急剧下降，2014 年之后获得的专利非常少。这表明可能进行了战略转变或完成了关键的研发阶段。
库克在 2005 年至 2009 年间一直保持活跃，但此后专利申请量逐渐减少，并且自 2010 年以来几乎没有任何活动。
松下在 2004 年至 2007 年期间占有重要地位，但 2012 年之后几乎没有任何专利活动。
相比之下，以下领域的参与度保持稳定或有所提高：
HIT 的专利活动显著增加，尤其是在 2017 年之后，并在 2022 年达到峰值。这种增长模式表明研究不断扩展，中国学术界可能会推动未来 SMM 的发展。
尽管医疗技术公司（美敦力、波士顿科学）在专利数量上并不比中国等整个地区占主导地位，但它们在榜单上仍保持稳定。这表明 SMM 继续关注医疗应用。
形状记忆材料的地理热点
优先国家申请最常发生在进行研发的国家，因此通过查看这些数据，我们可以看到哪些国家最具创新力，哪些国家在寻求保护其发明方面最为积极。
主要趋势：重点国家
尽管专利态势分析并未显示大型中国公司占据主导地位，但中国 (CN) 仍是主导者。这表明市场上充斥着许多小型中国参与者。
中国在 SMM 相关的优先申请数量上遥遥领先，2021 年的申请数量达到1,654 份，达到峰值。尽管 2024 年尚未结束，但中国已经提交了303 份申请，表明其在该领域继续占据主导地位。
美国和韩国的活动保持稳定，从 2014 年到 2022 年，两国的活动都相对稳定。
日本 (JP) 和德国 (DE) 的申请活动正在减少，两国都呈现出类似的模式。日本在 2014 年提交了 117 份申请，到 2023 年大幅下降至仅 23 份，而 2024 年迄今为止仅有 2 份。德国也遵循了类似的轨迹，在 2019 年达到 140 份申请的峰值，但到 2023 年下降至仅 11 份。
法国 (FR)、英国 (GB) 和世界组织 (WO) 的活动有限，法国和英国的专利申请量总体较低。英国表现出一些变化，在 2018 年达到 61 项申请的峰值，但此后降至2023 年的 7 项。法国的活动一直很低，2023 年或 2024 年没有记录任何申请。
形状记忆材料的应用领域
几个技术领域似乎与SMM应用特别相关：
医疗：该领域以红色突出显示，表明重点关注医疗领域的 SMM。潜在的应用可能包括：
具有形状记忆功能的支架和植入物，用于控制药物输送或组织工程。
适应患者特定需求的矫形器械。
精度更高的微创手术工具。
材料、冶金学：该领域表明对开发新型 SMM 材料并改善其性能有浓厚兴趣。研究工作可能侧重于：
合金和成分优化，实现所需的形状记忆效果。
表面处理和涂层可增强 SMM 性能。
开发具有成本效益且可扩展的 SMM 制造工艺。
机械元件：此领域表明 SMM 在各种机械部件中的潜在应用。示例包括：
用于机器人和自动化的形状记忆执行器。
自我修复组件可提高耐用性并减少维护。
具有增强承载能力的自适应结构。
其他消费品：虽然这个领域很广泛，但它暗示了 SMM 在日常产品中的潜力。可能的应用包括：
可自行调节的眼镜或衣服。
可变形的家具或玩具。
功能增强的智能包装材料。
专利态势分析：最后的讨论要点
总之，我们对形状记忆材料 (SMM) 领域的专利格局分析显示，从 2004 年到 2024 年，该领域呈现出明显的演变。
2004 年至 2012 年期间，专利数量稳步上升，2013 年起，授权专利数量急剧增加，尤其是在医疗保健领域。医疗设备领域继续占据主导地位，由美敦力和波士顿科学等公司推动，而汽车行业（例如丰田和通用汽车）也发挥着至关重要的作用。剑桥机电一体化等公司近期的崛起以及哈尔滨工业大学等机构的持续学术贡献凸显了行业和研究对推动这一领域发展的重要性。
从地域上看，中国已成为主导者，数百家公司申请了一些相关专利，使其在专利申请方面一直处于领先地位，而美国和韩国则保持着稳定的参与度。然而，日本和德国近年来有所下降。
SMM 在消费电子和航空航天等领域的日益普及表明这些材料正变得越来越通用，对创新至关重要。同样，从医疗保健到汽车等多个行业对 SMM 的持续关注和发展表明这些材料将继续受到重视。它们独特的性能使它们成为推动技术创新的关键，而持续的专利活动凸显了未来增长和新应用的潜力。
来源：https://www.questel.com/zh/resourcehub/patent-landscape-analysis-shape-memory-materials/