第一部分：什么是形状记忆材料？
形状记忆材料主要分为两大类：形状记忆合金和形状记忆聚合物。下面，我们将基于专利全景分析的深度洞察，为您概述这两大材料的成分构成、作用机制、应用领域及行业内的主要参与者。
形状记忆合金 (SMA)
成分构成：
核心成分多为高性能金属合金，诸如镍钛合金（NiTi）、铜铝镍合金及铜锌铝合金等。
作用机制：
形状记忆合金能够在两种截然不同的晶体结构间实现可逆的相态转变：一种是被称为奥氏体的高温相，另一种是被称为马氏体的低温相（如下图所示，图片来源）。
应用领域：
形状记忆合金在多个领域有广泛应用，包括：
- 医疗器械（支架、导丝）：
- 美敦力公司在其自膨胀支架中采用了形状记忆合金材料。这些支架能够被压缩以便轻松植入，一旦到达预定位置，便会自动展开，为血管提供支撑。
- Ormco 以其在正畸领域的创新而广为人知，该公司将形状记忆合金应用于各类牙科矫正器中，无论是传统的托槽和钢丝，还是前沿的透明矫正器，都融入了这一高科技材料。
- 机器人：
- SRI 国际公司研制出了利用形状记忆合金调整形态以更出色地抓取物体的机器人夹持器，这一创新极大地提升了机器人系统的多功能性。
- 航空航天部件：
- NASA 将形状记忆合金融入航天器的可展开结构中，使部件能够在执行任务期间适应各种条件。
- 波音公司在飞机系统中采用了形状记忆合金，例如应用于可根据需求调整形态以提高燃油效率和机动性的变形机翼设计中。
- 消费电子产品：
- Cambridge Mechatronics (CML) 公司专业研发应用于智能手机摄像头的形状记忆合金执行器，这些执行器用于光学图像稳定系统和自动对焦系统。截至目前，该公司旗下各品牌的产品出货量已突破 5000 万台。
- Cambridge Mechatronics (CML) 公司专业研发应用于智能手机摄像头的形状记忆合金执行器，这些执行器用于光学图像稳定系统和自动对焦系统。截至目前，该公司旗下各品牌的产品出货量已突破 5000 万台。
形状记忆聚合物（SMP）
成分构成：
该材料由一种特殊聚合物制成，这种聚合物在受到外部刺激时会触发恢复原状的能力（见下框）。
涵盖的形状记忆聚合物
聚合物基质：
形状记忆聚合物通常基于热塑性塑料或热固性塑料。聚合物基质作为主体材料，为整体提供了必要的机械性能：
- 热塑性塑料：这类聚合物包括聚氨酯（PU）、聚乳酸（PLA）和聚苯乙烯（PS）等。
- 热固性塑料：这类聚合物则包括环氧树脂和交联聚乙烯等。
切换段：
这是聚合物中对外部刺激做出反应并发生变形的部分。通常需要利用以下一种或多种特性：
- 结晶域：这些区域的熔化或结晶过程能够控制形状的转变（例如聚己内酯）。
- 玻璃化转变：能够在玻璃态和橡胶态之间发生转变的聚合物（例如含有不同软硬段的聚氨酯）。
- 离子相互作用：部分形状记忆聚合物利用离子基团来实现对 pH 值或离子浓度的响应。
交联网络：
交联，无论是化学交联还是物理交联，都会形成一个稳定的网络结构，使材料能够“记忆”其原始形状。
- 化学交联：聚合物链之间形成的永久性共价键。
- 物理交联：物理缠结或相互作用，例如氢键。
功能性填料：
为了增强或激活特定的响应，或提升形状记忆聚合物的性能，有时会添加以下功能性填料：
- 纳米颗粒：用于提升导电性能或增强机械强度。
- 碳基填料：用于增加电活性或热活性特性。
刺激响应成分：
为了赋予材料响应外部刺激的能力，会引入特定的成分或添加剂：
- 光响应分子：偶氮苯或其他光敏色素，用于制造光激活的形状记忆聚合物。
- 热响应组件：具有特定转变温度的聚合物，例如基于液晶弹性体的聚合物。
作用机制：
形状记忆聚合物通过热转变或化学反应实现形状的变化，在这一过程中，材料会先变软，随后再硬化回其原始形态（如下图所示）。
形状记忆聚合物的变化过程分为两个阶段：
- 加热至超过转变温度：将聚合物加热至某一临界温度之上（可能是熔点或玻璃化转变温度），使其变得柔软并易于进行形变。
- 变形：通过机械方式（如拉伸、压缩或重塑）将聚合物改变为新的形状。
- 变形时冷却：在保持新形状的同时，将材料冷却至转变温度以下。由于聚合物结构的稳定（结晶或进入玻璃态），临时形状得以固定。
- 重新加热或刺激激活：一旦材料被重新加热至超过其转变温度，或受到其他刺激（例如光线照射或 pH 值变化），聚合物便会再次变得柔软。
- 恢复到原始形状：随着内部能量的释放，聚合物内部的交联结构或网络会迫使其恢复到 “记忆”中的原始形状。
专利全景分析
专利全景分析为我们深入了解创新提供了宝贵的视角，有助于我们预见技术发展的未来趋势。在本部分中，我们将分享有关形状记忆材料创新领域的专利全景分析成果，揭示下一代材料的发展趋势，同时探讨这些创新解决方案背后的主要行业参与者和核心研发（R&D）市场。
方法论与数据库
为了深入探究这一技术的创新与研发活动，我们运用了自主研发的 知识产权情报软件 进行了全面的检索。凭借我们在 IP咨询服务 领域的深厚专业知识，我们对收集到的专利进行了细致的分析，从而获得了关于这一领域研究进展与投资趋势的全球性深刻洞见。
该数据库总共收录了过去 20 年间提交的 34,267 个专利家族，为我们提供了丰富的数据支持。
专利动态：形状记忆材料的关键发现
如下图所示，自 2004 年至 2023 年，随着航空航天、汽车制造以及医疗保健等多个行业对形状记忆材料技术需求的日益增长，形状记忆材料的专利申请数量呈现出明显的上升趋势。与此同时，对可持续发展的日益重视以及智能材料的不断发展，也极大地激发了相关领域的创新活力。
专利动态图示直观展现了二十年间形状记忆材料专利的发展历程。其中，专利授权的峰值出现在 2020 年，共计 916 件，相较于 2010 年的 534 件，实现了 71.5% 的显著增长。
此外，待审专利的数量也呈现出迅猛增长的态势，从 2004 年的 147 件跃升至 2020 年的 559 件，增幅高达 280%，这充分彰显了该领域持续不断的创新活力以及强劲的市场需求。
形状记忆材料领域的主要参与者
下图根据专利活动情况，列出了形状记忆材料领域的主要参与者。
排名前五的是：
- (1) 哈尔滨工业大学（HIT）：作为中国一所杰出的研究型大学，哈尔滨工业大学在形状记忆材料相关专利活动中占据领先地位，拥有 231 件授权专利。该校的研究人员深入探索了形状记忆材料在航空航天领域的应用，如可展开结构和自适应组件，这些创新极大地提升了太空任务的可靠性和性能。此外，他们的研究领域还涵盖了利用形状记忆材料开发的软机器人夹持器，以及将形状记忆材料融入纺织品的技术。
- (2) 通用汽车全球技术运营部：相较于授权专利数量（178 件），通用汽车拥有较多的失效专利（205 件）。该公司在多种汽车部件中采用了形状记忆材料，尤其是形状记忆合金和形状记忆聚合物，旨在提升部件的功能性和性能。这些应用实例包括自适应部件和主动车辆表面等。
- (3) 波士顿科学和 (4) 美敦力：这两家公司均以专利分布的均衡性而知名，各自拥有一定数量的授权专利（分别为 130 件和 142 件）及若干待审专利，但同时也伴随着一定数量的失效专利（分别为 84 件和 72 件）。
波士顿科学公司的专利广泛涵盖了与形状记忆材料相关的创新领域，重点聚焦于其加工技术、成分构成、在医疗设备中的应用以及性能优化等方面。
美敦力作为热塑性塑料研究的领军者，对几乎所有形状记忆聚合物均抱有浓厚兴趣。其专利广泛涉及医疗领域的多种应用，包括支架、消融元件、听骨假体、青光眼手术器械、缝合线、椎间植入物以及心房分流器等。此外，该公司还成功研发出利用真空沉积工艺在基材上沉积形状记忆材料（如镍钛）薄膜的方法，以此制造微型致动器。
- (5) 库克医疗：作为全球医疗器械领域的佼佼者，库克医疗持有大量与形状记忆材料相关的已授权专利及待审专利，其核心关注点在于形状记忆合金与形状记忆聚合物在医疗设备上的创新运用。这些创新应用涵盖了内窥镜设备、消融器械，以及利用形状记忆特性在手术中有效实现止血功能的止血夹和止血钳等。
主要专利申请人：按首次申请年份的专利家族规模增长情况
如果我们按首次申请年份来审视数据，随着新参与者的涌入，技术焦点的变迁将变得更为清晰。以下图表为我们提供了宝贵的视角，有助于识别新进入者、退出舞台的实体以及长期以来始终保持核心地位的主要参与者。
新进入者（2016 年及以后）
新的市场参与者包括：
- Cambridge Mechatronics (CML) 公司自 2016 年起崭露头角，成为关键的市场力量，其专利申请量快速增长，于 2020 年达到顶峰，并在此后继续保持强劲的增长势头。
- 爱德华生命科学公司同样在 2017 年后开始崭露锋芒，2017 至 2018 年间共申请了 11 件专利，并在 2023 年以 37 件专利的申请量达到了申请活动的高峰。
- 诸如三星和 LG 等公司，它们自 2006 年至 2017 年间逐渐加大了在形状记忆材料技术领域的投入，这一趋势反映出消费电子行业对形状记忆材料技术的兴趣正日益浓厚。
相比之下，一些公司已经停止或减缓了在形状记忆材料领域的专利申请步伐：
- 通用汽车的专利申请活动在 2010 年达到巅峰，随后在 2012 年后急剧下滑，2014 年后更是鲜有专利问世。这可能预示着公司战略方向的转变，或是关键研发阶段的结束。
- 库克公司在 2005 至 2009 年间专利申请活动稳定，但此后逐渐减少，自 2010 年起几乎停滞。
- 松下公司在 2004 至 2007 年间在形状记忆材料领域表现出色，但自 2012 年起，其专利活动几乎销声匿迹。
相比之下，以下实体的参与度保持稳定或有所增加：
- 哈尔滨工业大学的专利活动呈现出显著增长态势，特别是在 2017 年之后，并于 2022 年达到巅峰。这一增长趋势反映出其研究领域的不断扩展，预示着中国的学术界或将成为推动未来形状记忆材料发展的关键力量。
- 尽管与整个中国等地区相比，医疗技术公司（美敦力、波士顿科学）在专利数量上并不占据主导地位，但它们在专利榜上始终保持着稳定的位置。这表明，形状记忆材料在医疗应用领域的关注度持续不减。
形状记忆材料的地理热点
优先权申请通常会在研发活动所在的国家/地区进行，因此，通过分析该数据能够揭示哪些国家/地区在创新活动中处于领先地位，以及哪些国家/地区在积极寻求保护其发明成果。
形状记忆材料的应用领域
有几个技术领域对于形状记忆材料的应用来说尤为重要：
医疗领域：这一用红色突出显示的领域表明，医疗领域对形状记忆材料给予了高度重视。潜在的应用可能包括：
- 具有形状记忆功能的支架和植入物，用于控制药物释放或组织工程。
- 根据患者特定需求定制的矫形器械。
- 精度更高的微创手术器械。
材料与冶金领域：该领域展示了对开发新型形状记忆材料及其性能改进的核心兴趣。研究工作可能集中于：
- 通过合金化和成分优化，以实现所需的形状记忆效果。
- 提升形状记忆材料性能的表面处理和涂层技术。
- 开发经济高效且可扩展的形状记忆材料制造工艺。
机械元件领域：该领域表明了形状记忆材料在各种机械组件中的潜在应用。例如：
- 用于机器人和自动化的形状记忆致动器。
- 提升耐用性和降低维护需求的愈式组件。
- 增强负载承受能力的自适应结构。
其他消费品领域：虽然这一领域范围广泛，但它预示着形状记忆材料在日常产品中的巨大潜力。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。
- 功能更加完善的智能包装材料。
