1. 引言
近期,国家标准化管理委员会发布了2022年第四批推荐性国家标准计划,5项数字化转型国家标准正式获批立项。这些国家标准是通用性的,可以指导各类组织系统性、全局性地推进数字化转型,供应链各类参与主体提供了重要的参考指引,帮助他们科学认识并系统构建数字化供应链。元宇宙概念和数字化转型相互契合、相辅相成,随着元宇宙概念的提出,元宇宙可以更好地支持数字化转型的建设和发展。因此,为加速中国经济的转型和发展,各地纷纷加快元宇宙布局和建设的步伐,以适应新时代数字经济发展的需要。上海智慧城市发展研究发表了《2022元宇宙产业技术和创新应用白皮书》,指出元宇宙是推动数字经济底层关键技术的突破,可以带动数字经济实现质的飞跃;北京和重庆相继颁布了《关于加快北京城市副中心元宇宙生态农业发展归化》、《渝北区元宇宙产业创新发展行动计划(2022~2024年)》,推进元宇宙示范应用,构建协同创新平台。在国外,韩国、日本和欧盟都在积极发展元宇宙技术,并成立了相关的联盟或团体,旨在将其打造成为元宇宙城市或元宇宙发达国家。同时,欧盟也在广泛征求各方对于元宇宙新政策的建议和意见。元宇宙作为未来增加最迅猛的领域之一,使得各个行业和国家都加紧了对它的观察和了解,世界各国都对元宇宙出台了相关的政策,在全球主要国家的积极推动下,元宇宙能够实现在不同领域内的融合。当前,元宇宙产业仍处于奠基阶段,受到技术发展和应用场景的限制,离全面覆盖和生态完备还有较长距离。忽略深层核心技术挖掘和过度迎合概念热潮可能带来的风险,因此需要密切关注技术趋势和创新成果。专利是体现技术创新和成果传递的重要载体 [1] ,可以通过建立联盟并共同申请专利促进技术的快速迭代和发展,为产业注入新活力。因此,从专利合作的角度探讨元宇宙技术专利发展现状以及合作网络特征情况对于推动元宇宙产业的发展具有重要意义。
在元宇宙方面,其研究主要集中在元宇宙的概念、特征、关键技术、应用空间以及发展等。现如今对于元宇宙的概念还未形成统一的定论,不同的学者对此都有不同的定义。吴松强 [2] 等学者从科学和技术的角度,认为元宇宙是技术和社会交融的复杂系统。喻国明 [3] 从技术角度出发,指出元宇宙就是以区块链技术为核心的web3.0数字媒介生态。王俊和苏立君 [4] 指出元宇宙是具备构建虚拟时空的新型网络技术集合。从社会空间角度出发,罗有成 [5] 则指出元宇宙是数字技术基础下的虚实相生的数字虚拟社会。同样,郭海、刘成、G. Zheng等 [6] [7] [8] 人也认为元宇宙是一个虚实相融的数字世界,且以前沿智能技术为提托。关于元宇宙的特征,多数学者的观点大致如下:第一,虚实交互,通过各种智能技术及数字技术,将用户带入现实与虚拟交互的社会中,突破传统现实的限制 [9] [10] [11] 。第二,技术聚集,是推动元宇宙发展与成长的基础。多种复杂先进的数字智能技术的相互配合支持着物理世界与虚拟世界的融合 [12] [13] [14] 。第三,开放创造,元宇宙提供创作与实践场所,满足不同需求的用户进行活动和创造价值,拓展元宇宙范围,加快社会经济发展 [15] [16] [17] 。宇宙是基于数字智能技术的综合集成,包括基础设施层、交互技术层和综合应用层三个层次 [4] 。基础设施层提供了区块链、物联网、云计算、雾计算等数智技术基础设施 [18] [19] 。交互技术层则依赖着扩展现实、脑机接口、数字孪生、人工智能等技术的支撑 [20] [21] [22] [23] 。综合应用层则涉及到游戏娱乐、实时教育、沉浸体验等领域中新的经济与商业模式 [24] [25] [26] 。随着元宇宙各种技术的发展,用户可以在其中享受更加丰富多彩的体验,加速元宇宙虚拟融合的世界在娱乐、教育和社交等领域的扩张。
本文通过分析元宇宙的发展背景后,从元宇宙专利申请趋势、区域分布、申请人等方面进行专利数据分析,深入刻画元宇宙的专利合作网络和演化规律,力促元宇宙技术的发展,并对该行业未来的趋势进行了解,这将有助于制定和部署元宇宙未来的技术规划。
2. 研究设计
2.1. 研究来源以及范围
本文专利数据采集总分为三个步骤:1、考虑到incopat数据库收录了全球120个国家1亿余条数据,数据收集全面,因此本文采用incopat数据库;2、在检索词设置上按照元宇宙技术的基础设施层、交互技术层和综合应用层三个层次设置关键词;3、本文的专利检索类型为发明申请专利,检索时间为2003年1月1日~2023年6月30日,得到30322条数据,进行数据清洗,得到20,601条数据用于本文分析。
2.2. 研究方法
社会网络分析综合运用图论、数学模型来研究社会行动者之间的关系,以更清晰地了解专利合作状况。为尽可能减少专利合作数据年度波动对分析结果的影响,以5年为一个观测周期,分别给出了2003~2007年、2008~2012年、2013~2017年、2017~2023年6月“元宇宙”专利数据合作网络图。本文通过社会网络分析法点度中心度、接近中心度、中介中心度等指标对元宇宙专利合作网络进行深入分析,网络指标及定义如下:
1) 点度中心度。表示网络图的整体中心性,体现集体网的集中程度。计算公式如下:
(1)
式中,Ki为所有与节点i相连的边的数量;N为网络节点总数。
2) 接近中心度。又称整体中心度,表示一个节点与其他节点的最短路径之和,在有向网络中分为入接近中心度和出接近中心度。计算公式如下:
(2)
式中,V为所有节点的集合;
为节点s到节点t的最短路径数量;
为节点s到节点t的最短路径中经过节点的数量。
3) 度数中心度。表示与一个节点直接相连的其他节点的个数,在有向网络中分为入度和出度。计算公司如如下:
(3)
式中,di,j为节点i和节点j之间的最短路径距离。
2.3. 研究框架
本研究分为三个阶段。第一阶段是获取与分析元宇宙专利创新数据,利用IncoPat专利数据库对技术领域专利进行检索和数据下载,将获得的数据集进行数据清洗和数据筛选,获得专利合作数据集。第二阶段为专利数据态势与演变分析:对抽取的专利申请数据数量、专利申请人、专利申请地域、主IPC分类号等信息进行分析。第三阶段是对元宇宙专利数据分阶段研究其专利合作和创新网络,按时间划分为五年一个时期,利用社会网络分析法在划分的每个阶段内分别进行演化研究,从相对中心度、中介中心度、接近中心度等维度对核心个体演化规律进行分析,从合作和创新网络图分析其创新个体的密集程度和合作程度,掌握不同的合作形式和合作态势,从而获得技术创新网络演化规律。本文创建了专利合作网络演化分析框架,如图1所示。
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Figure 1. Metaverse patent data situation and collaborative network research flow chart
图1. 元宇宙专利数据态势与合作网络研究流程图
3. 元宇宙专利数据分析
3.1. 专利申请趋势
专利申请趋势从宏观层面可以把握该领域的年度专利申请热度变化,绘制2203~2023年6月元宇宙技术领域专利申请图。
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Figure 2. Trends in the number of metaverse patent applications from 2003 to June 2023
图2. 2003~2023年6月元宇宙专利申请量变化趋势
从元宇宙技术领域专利申请趋势看,如图2所示,年度分布总体呈现递增趋势,说明元宇宙技术研发活动越来越频繁,受重视程度日益增加。2003年,元宇宙技术领域的专利申请量仅为89件,在2007年全球元宇宙领域专利申请量突破100件,在2018年全球元宇宙专利技术申请量突破1000件,2022年数量达到顶峰,为5287件。
3.2. 专利申请人分析
为比较元宇宙专利技术的分布行业与市场潜在需求,评估该技术的创新发展态势,对元宇宙技术的专利申请人进行分析。
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Table 1. Top 10 applicants in the total number of metaverse technology patent applications from 2003 to June 2023
表1. 2003~2023年6月元宇宙技术专利申请总量排名前10的申请人
专利申请人是向专利局提出就某一发明取得专利请求的当事人,其主体可以是自然人,也可以是机构。表1是2003~2023年6月间,全球元宇宙技术专利申请总量排名前10的申请人。从表中可以看出,在这期间,在该领域提交专利申请数量最多的申请人为International Business Machines Corporation,其申请总量为481件。其次是Google Llc和Microsoft Technology Licensing Llc,申请专利数量分别为388件和366件。
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Figure 3. Trends of top 10 applicants in the global ranking of metaverse patent technology from 2003 to June 2023
图3. 2003~2023年6月元宇宙专利技术全球排名前10申请人申请趋势
从图3可以看出,International Business Machines Corporation最早申请元宇宙技术专利的时间是在2003年,在2016年之前,该公司每年申请的专利数量都在个位数,在2017~2022年期间申请专利数量较多,且在2020年申请专利技术的数量高达120项。在2003~2015年期间,元宇宙这个新的概念还尚未进入大众视野,故在此阶段对于元宇宙技术的专利申请数量较少,但2016、2017年左右对于该技术领域的专利申请数量存在一定幅度的增加,在2020和2021这两年间申请数量较之之前更多。
3.3. 专利申请地区分析
专利地区分布分析则是可以定量的研究一个地区在相关领域技术的研究情况,反应了该地区对技术的重视程度。统计全球元宇宙专利技术申请国家,并绘制元宇宙专利申请排名前20国家的图形。
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Figure 4. Distribution of top 20 metaverse patent applications in countries from 2003 to June 2023
图4. 2003~2023年6月元宇宙专利申请国家排名前20分布图
图4反映的是元宇宙技术专利申请国总量前20的国家,从图中可以看到,专利申请量最多的是中国,为11526件,占比55.92%,其次分别是美国、韩国、日本、加拿大,数量分别达到5019件、388件、883件和386件。
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Figure 5. Distribution of Top 20 countries in metaverse patent disclosure from 2003 to June 2023
图5. 2003~2023年6月元宇宙专利公开国家排名前20分布图
图5反映的是元宇宙专利公开国总量前20的国家,分别是中国、美国、世界知识产权组织、欧洲专利局、韩国、日本、印度、澳大利亚、加拿大、英国、德国、以色列、巴西、法国、俄罗斯、新加坡、西班牙、荷兰、欧亚专利组织(EAPO)和马来西亚。从技术流入角度来看,专利占比排名第一的是中国,中国作为公开国的专利数量占比整个世界占比数量的56.88%。从技术流出角度来看,专利占比排名第一的还是中国,中国作为申请国的专利数量占比整个世界的专利数量的55.92%。这说明中国在该领域具有较强的研发实力,同时也是企业和科研机构进行专利布局的重点区域。其次,美国、韩国和日本的专利数量虽然比不上中国,但同样也是重要的研发中心和目标市场,在未来的市场竞争中可能占据优势地位。
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Figure 6. Flow chart of metaverse patent technology from 2003 to June 2023
图6. 2003~2023年6月元宇宙专利技术流向图
如图6所示,中国的专利申请人更倾向在本国申请专利,国际专利数量较少。而美国大约有63.38%的专利在本国申请,美国对外布局的专利最多,几乎在每个元宇宙技术研究较多的国家和地区都有专利布局,远远超过其他国家的对外布局,显然,美国更加关注海外市场,在市场竞争中更倾向选择全球化战略。中国、韩国、日本、美国等被外国布局的专利较多,说明这几个国家和地区是全球最大的元宇宙技术目标市场。
3.4. 技术构成分析
依据IPC分类号可以分析元宇宙技术研发的技术类别以及各技术分支的创新热度情况。
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Figure 7. Global metaverse technology composition from 2003 to June 2023
图7. 2003~2023年6月全球元宇宙领域技术构成情况
见图7,世界范围内对元宇宙技术的研究成果以G06N10/00类最多(1238件),其次是G06Q10/06 (327件)及G06N99/00 (312件)。从图中可以看出元宇宙领域中的技术构成十分的复杂,是一个由各种先进技术所构成的庞大的技术范围,着重在量子计算,即基于量子力学现象的信息处理基于特定计算模型的计算机系统、数字信息的传输、自适应控制系统、计算机控制系统、包括使用所述系统的模型或模拟器的系统、防止未经允许从数据传输信道取出数据的装置、保密或安全通信系统中检验用户的身份或凭据的装置的技术研究比较多。
4. 元宇宙专利合作与创新网络
创新主体在网络中所处位置的重要程度可以用中心性来衡量,在专利合作网络中,每个节点都有各自的网络特征,有的申请人相较于其他人受到的限制更小,机会更多,反映出其网络位置好,处于优势地位。中心性一般包括度数中心性、接近中心性、中介中心性、点中心性等指标。将样本专利每十年分为一个时间段进行分析,分别是2003~2007年、2008~2012年、2013~2017年和2018~2023年6月。本文通过社会网络分析软件UCINET进行元宇宙专利合作关系网络中心性分析,用GEPHI软件绘制元宇宙专利创新合作网络关系图。
4.1. 2003~2007年专利合作网络分析
本文对2003~2007年间元宇宙专利技术的合作态势展开研究分析,并绘制创新合作网络关系图。
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Figure 8. Metaverse patent cooperation network from 2003 to 2007
图8. 2003~2007年元宇宙专利合作网络
由图8可知,全球2003~2007年元宇宙合作网络规模较小、创新主体数量较少、整体较为分散,创新主体之间单一衔接较多,最主要的创新主体以个人为主。前期关于元宇宙专利进行合作开展创新研究的企业较少,大部分都是个人之间的创新合作,如Christian Monte、Pierre Nording、Knut Rurack、Bernhard Schoenenberger和Ute Resch Genger以及Hollenberg Lloyd Christopher L、Dzurak Andrew S、Wellard Cameron和Hamilton Alexander R开展了专利合作。
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Table 2. Characteristics of the cooperation network of metaverse patent applicants from 2003 to 2007
表2. 2003~2007年元宇宙专利申请人合作网络特征
按照相对中心度进行排序,表2是世界范围内相对中心度排名前20的申请人。其中,Hermsmeier David Lee的相对中心度最高,其次是Musselman Roy Glenn,说明其自身连接的创新网络规模较大,相对于其他节点拥有较大的影响力。从中介中心度来看,所列出的公司的中介中心度大多数都小于0.01,表明元宇宙专利申请人之间不存在绝对的占据信息流通关键位置的公司或者机构,所有的网络结构位置的创新主体们所掌握网络中流通的信息与资源是相同的,对于节点的控制力也较弱。通过UCINET软件计算出网络密度为0.0073,表明在这些申请人之间的网络合作较为稀疏,这是因为元宇宙技术领域中大部分申请人只有一两位合作对象,其他创新主体之间也不存在直接联系,合作程度较为低下。
4.2. 2008~2012年专利合作网络分析
由图9可知,元宇宙技术在2008~2012年专利涉及的合作主体较多,授权发明专利数量也比较多,与前期相比有了一定幅度的扩张。在这期间,出现了企业与个人之间的合作,如IBM United Kingdom、Divincenzo David和Hobbs Philip Charles以及Advanced Micro Devices Inc和Hartog Scott,更多的还是个人之间的合作,例如陈家斌与易保华之间合作达到了5次,Hisashi Kajiura与Yongming Li、Yu Wang、Hongliang Zhang之间的合作次数也达到了五次。元宇宙专利合作网络中的社团在数量上不断增多,范围上从最初的以个体创新主体为主逐渐演化到个体与企业、个体与个体的格局。
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Figure 9. Metaverse patent cooperation network from 2008 to 2012
图9. 2008~2012年元宇宙专利合作网络
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Table 3. Characteristics of the cooperation network of metaverse patent applicants from 2008 to 2012
表3. 2008~2012年元宇宙专利申请人合作网络特征
表3是元宇宙技术2008~2012年中心度排名前20的申请人表,从表中可以看出,Yongming Li、Dacheng Wei、Hisashi Kajiura、Hongliang Zhang和Yu Wang的度中心性高于其他主体,说明其自身连接的创新网络规模较大,相对于其他节点拥有较大的影响力,并且是上述的主体为核心构成了最大的专利合作子网络;Ibm United Kingdom Limited和International Business Machines Corporation的中介中心性最高,表明这两个节点对子网络的控制力最强。
4.3. 2013~2017年专利合作网络分析
如图10所示,元宇宙技术2013~2017年专利合作网络与早期有了大幅度的扩张。其中,主要是国家电网公司为核心节点进行专利合作,合作对象有国网天津市电力公司、国网山东省电力公司电力科学研究院、国网福建省电力有限公司、山西省电力公司晋城供电分公司等等。该超级社团是在国家电网主导的合作网络中引领我国元宇宙技术发展方向,旨在攻克关键高精尖技术,通过资源快速传递和成本优势,创新主体可以轻松接触新兴技术,从而以较低的成本加深合作深度。从图中可以看出存在这几个较为紧密的合作子网络,如以Ibm United Kingdom Limited、International Business Machines Corporation、Ibm (China) Investment Company Limited为主的合作子网络和以Google Inc、Neven Hartmut、Ding Nan、Barzegar Alireza Shabani为主的合作子网络,这些创新主体间聚集性高,通过核心节点资源的调配增强创新的信心、降低风险,从而有效提高了创新效率。
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Figure 10. Metaverse patent cooperation network from 2013 to 2017
图10. 2013~2017年元宇宙专利合作网络
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Table 4. Characteristics of the cooperation network of metaverse patent applicants from 2013 to 2017
表4. 2013~2017年元宇宙专利申请人合作网络特征
如表4所示,国家电网公司和Google Inc的相对中心度高于其他主体,表明世界范围内2013~2017年以上述主体构成了最大的元宇宙专利技术合作子网络;国家电网公司的中介中心度最高,表明该节点对所在子网络有较大的控制力;国家电网公司、国网天津市电力公司、国网山东省电力公司电力科学研究院和国网福建省电力有限公司的接近中心度并列第一,表明这四个节点位于子网络的核心区域,拥有较为丰富的合作信息。
4.4. 2018-2023年6月专利合作网络分析
如图11所示,元宇宙世界范围内2018~2023年6月专利合作网络内共有1338件专利,涉及2126个合作主体,与2003~2007年、2008~2012年和2013~2017年期间所申请专利数量相比有明显增加。在这段时间里,越来越多的机构,例如大学、研究机构等,已经加入了元宇宙专利合作网络。截至目前为止,新加入的机构初步建立了稳定的合作关系,并且在合作的深度和广度方面处于较高的水平。申请人之间合作开展专利创新研究次数较多,两个合作主体指数合作过2次形成的子网络有248个。从图中可以看出南京如般量子科技有限公司与如般量子科技有限公司,国家电网公司与国网天津市电力公司以及Ibm United Kingdom Limited与International Business Machines Corporation的合作次数较多。
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Figure 11. Metaverse collaborative patent network from 2018 to June 2023
图11. 2018~2023年6月元宇宙合作专利网络
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Table 5. Characteristics of the cooperation network of metaverse patent applicants from 2018 to June 2023
表5. 2018~2023年6月元宇宙专利申请人合作网络特征
由表5所示,2018~2023年6月间全球元宇宙专利数量中,国家电网公司、International Business Machines Corporation和Ibm United Kingdom Limited的相对中心度排在前列,即以这三个主体为核心的合作子网络规模最大,表明在2018~2023年6月期间以上述三个主体为核心构成了最大的创新合作子网络;国家电网公司的中介中心度为0.668,表明该节点对其所在子网络的控制力是最强的;所列出的申请人之中的接近中心度都较为接近,表明所有节点所获得的信息是较为一致的。
5. 总结
本研究首先调研了元宇宙技术相关专利,在此基础上构造检索式得到20,601项专利,并在申请趋势、技术构成、地域、申请人、核心专利等维度揭示元宇宙技术领域发展态势和专利布局,得出以下结论:
第一,元宇宙专利申请持续增长,高产申请人多是互联网科技企业,他们在网络通信、人工智能和大数据分析方面具有优势。2008年之前元宇宙专利的数量不到100件,在此阶段,申请增长速度也较为缓慢,2008年之后,元宇宙专利申请速度不断加快,国内外元宇宙的专利数据量都呈现出上升的趋势,各个国家和地区对于元宇宙的认识和重视程度在不断的加强,发现了其潜在的商业价值和创新能力,使得元宇宙技术在全球范围内获得了广泛的关注和投资。高产申请人分别是International Business Machines Corporation、Microsoft Technology Licensing Llc、Google Llc等互联网科技类企业,这样的公司往往会涉及到网络通信、人工智能、大数据分析、云计算等领域,更能迅速捕捉到市场上的各种需求并为之提供各种服务。
第二,无论是从技术流入还是从技术流出的视角分析,中、美两国在该领域都具有优势地位,而从元宇宙技术构成来看,元宇宙技术涵盖多个等领域,多数与量子计算、数字计算机等相关。中国的专利申请人在该领域取得的创新成果较多,申请数量也明显多于其他国家,但跨地域申请合作较少,且倾向在本国申请专利,美国申请人更为关注海外市场,专利布局遍布全球。元宇宙技术是集多种高精尖数智技术于一体的新兴技术,其核心区技术领域为G06N10,是指有关机器学习及模式识别领域的专利技术,包括神经网络、机器视觉、自然语言处理等,这些技术在元宇宙中广泛应用于虚拟角色的动态表情、语音交互、图像识别等方面,此外,元宇宙技术还涉及到许多相关领域,如量子计算、数字计算机等,这些领域被归类到元宇宙专利技术的相关区,包括G06Q10、G06N99、H04L9等。
第三,基于2003~2023年6月元宇宙专利申请数据,运用社会网络分析方法探究了整体及各个阶段网络拓扑性质及社团结构。研究结果显示:1) 全球元宇宙技术领域的专利合作网络规模正在扩大,但分散趋势较高。创新主体数量增长速度快于创新合作数量的增长速度。虽已取得成就,仍有未充分挖掘的潜力,需要加强合作、创新和协同,促进行业发展。2) 全球元宇宙领域的专利合作网络以个人、高校、研究机构和互联网高科技企业等机构为主要组成部分。然而,目前整个网络中跨领域、跨区域的联合创新项目较少,全球元宇宙专利合作网络缺乏多元化的创新合作体系。3) 合作网络内部具有层次结构,存在明显的核心节点、次核心节点及边缘节点,元宇宙专利合作网络发展这些年来,创新人数不断增加,创新合作数量逐渐增加,创新主体往往通过专利合作网络核心节点与其他主体建立及维系创新合作关系。
基金项目
国家自然科学基金项目“数字文化产业创新生态系统价值共创研究:动因、机制与演化”(编号:72104137);上海市青年科技英才扬帆计划项目“上海融合性数字产业‘卡脖子’技术甄选机制与攻关路径研究”(编号:21YF1415900);上海市软科学研究项目“面向上海未来产业培育的颠覆性技术识别及突破路径研究”(编号:23692123100)。
NOTES
*通讯作者。