基于专利的技术进化树的构建与解析

杨 中 楷， 徐 梦 真， 韩 爽

（大连理工大学 人文与社会科学学部，辽宁 大连116024）

一、引 言

达尔文发表《物种起源》不久，马克思就呼吁写一部以进化论学说为参照的技术史评注［1］。齐曼等在《技术创新进化论》中指出，“技术创新是一种进化过程”［2］，将遗传、变异、选择、适应等概念植入到技术演化研究当中。为便于将生物进化与技术进化进行更好地对应，齐曼引入了道金斯所提出的縻母（meme）的概念，用以形容技术的遗传信息［3］。他认为“适用于实际人工制品的技术‘縻母’可以被独立地进行传递、存储、恢复、变异和选择”。“縻母”作为技术基因的对应，能够较好地隐喻分子层次的生物进化并解释微观层次的技术进化的问题，也揭示出生物进化和技术进化之间严重的“非相似性”，即：在技术进化中，“縻母”经常重组，并且多血统是通则。巴萨拉也借用人类学家克虏伯的“系谱树形图”解释了有机体与人造物之间的关键性区别［1］。他认为生物进化的树形图是由分开叉而构成新物种的独立枝条构成的，各枝条是彼此独立的，而人造物树形图是一种怪异的植物种类，独立的枝条交融在一起产生新的类型。

齐曼和巴萨拉都指出了技术进化树与生物进化树的最大区别，即技术枝条之间相互连接并生成新的实体，这反映出技术物种之间融合的普遍性。但他们提到的技术进化树是以技术制品和人造物为对象的，属于表型层次而并非基因层次。对照生物学的发展进程，根据蛋白质的序列或结构差异关系构建的分子进化树已经向我们展示出生物进化的微观图景［4］，而基因层次的技术进化树的形成和发展研究，却仍然停留在概念阶段。齐曼虽然意识到技术制品进化树的特征受到技术“縻母”影响，却并未直接对基因层次的遗传、变异等技术进化活动进行详细论述。本文将立足于技术进化的基因层次，借助专利引文分析等可视化手段，阐释技术进化树的微观演化特征、演化动力等基本问题。

二、基于专利的进化树构建原理与方法

按照莫克尔的观点，在生物学中，底层结构是基因型，而显示性实体则是表型［2］。在进化认识论中，底层结构是知识基础。这启发我们，只要能找到知识的有效载体，就能通过载体间的相互关系，寻找到构建基因层次的技术进化树的途径和手段。波普尔提出的世界3理论将世界划分为物理状态的世界、精神状态的世界和客观知识的世界。庞杰依此将科学知识和技术知识加以区分，并分别将科学论文和专利文献作为两类知识的载体展示了文献引用网络中的知识流动［5］。多西指出从专利引文网络中可衍生出“技术轨道”［6］，休谟和道恩提供了一种从文献引文网络中探寻关键路径的定量和可视化方法，验证了多西的看法的可行性［7］。沃斯培根等人基于专利引文网络的技术轨道识别方法［8］［9］，形象地展示出特定技术领域技术进化的过程和路径。上述学者的工作，都将专利文献作为技术进化研究的基本节点单位，体现出专利文献与专利引文分析在研究技术知识活动中的合理性与可行性。

对于专利文献在技术进化树中的地位和作用，我们还需要结合案例重新梳理。图1是一项美国专利US2929922的前向引用图，箭头代表因引用所发生的知识流动的方向，每个节点都是一项专利（文献）。知识从US2929922专利流向了其他20项专利，其他20项专利都从源专利的知识集合中获得了相应的知识片段，这是一个遗传的过程。而根据专利的“三性”原则，每一项新的专利与旧有专利相比都必须具备相应的新颖性和创造性，这是一个变异过程。我们放大US4746201专利，回溯其形成过程。图2是US4746201专利的后向引用图，表明US4746201专利不但从US2929922专利中获得了知识片段，而且还从其他10项专利中获得了知识片段，这些知识片段重新组合形成了新的知识集合，使其表现出与US2929922专利不同的功能特征。US2929922专利是激光技术的最源头的技术始祖。US4746201专利则是一项激光技术中的偏光装置，虽仍属于激光技术序列，但其技术装置已经有较大不同。

图1 US2929922的前向引用图

图2 US4746201的后向引用图

基于上述分析，我们可以认为：从进化论的角度来看，可以将一个专利文献对应于一种DNA。这是因为，每一个专利文献都与其他专利文献有着明显的差别，而在生物体中，这种差别的根源正好在DNA层次上。如果将专利文献定位在DNA层次，那么其中所蕴含的知识就可以被定义在基因层次，看做是技术“縻母”。简单来说，技术“縻母”就是那些具有遗传信息的知识片段的集合。按照此逻辑，可以理顺生物进化和技术进化之间的诸多关系。首先，基因型到表型的关系。当专利中的技术知识物化为现实技术之时，就实现了从基因型到表型的转化过程。技术进化中知识进化和人工物进化的过程并不是完全对应的，很多专利并没有转化为人工制品就迅速被忽视了，但这不影响其在技术知识进化中的作用。其次，遗传和变异的关系。遗传来自于对知识从上一代到下一代的流动，这种流动主要是通过引用实现的。变异是新知识产生所导致的，新知识在原有知识的基础上产生，是原有知识的各个片段经过重新组合而来的。最后，我们虽然无法准确测定专利文献中知识的数量、结构，但进化树构建的目的不外乎是判断不同节点之间的亲缘关系，而专利引文分析天然地能够将节点之间的时间顺序和关系清晰的展示出来。因此，只需找到确定的源头，就能够绘制相应的技术进化树。

三、基于专利的技术进化树的演化特征解析

实际上，图1向我们展示的是US2929922专利演化的一代进化树。为描述方便起见，我们只从US2929922专利出发单向度地绘制进化树，对于进化树中的每一个节点，只考虑其与此进化树中节点的相互关系，而不将其他知识来源节点绘制在内。

图3 US2929922二代前向引用图

借助Pajek软件，利用检索到的专利引用信息绘制US2929922专利的二代进化树，即将第一代20个节点的前向引用情况再展开，形成一个以US2929922为核心的二阶关系图（图3），包含446个节点和754条连线。在图3中，进化树的各个节点之间已经显现出相互的连接关系。如右上角的US4564011专利，就是US3750670和US3783874相互交融的结果。图3下方的节点群，都与US4053845、US4746201和US4161436相连接，是由这三个节点相互交融而成。为更清楚地展示二代进化树的特征，只显示二代进化树的结构而不显示节点标记，生成图4。清晰地向我们展示出以US2929922专利为核心所形成的技术进化树及其演变过程，这与巴萨拉所提到的人造物进化树的特征是相似的［1］。

图4 US2929922二代进化树

图5 巴萨拉的生物进化树和人造物进化树

虽然只绘制到技术进化树的第二代节点，也未将每个节点的信息更充分地展开，但这已经能够向我们展示出基因层次的技术进化树的鲜明特征。首先，正如齐曼所指出的那样，技术进化中“縻母”之间经常重组，而且重组的“縻母”之间存在着明显的差异，甚至代表着不同的物种。在生物学中，即便两个物种之间能够繁育后代，但其后代不能具有继续繁育的能力。而在技术进化过程中，这种障碍是不存在的。其次，不但是同代的节点之间可以相互交融，不同代次之间的节点之间也会发生代际交融。因此，在基于专利的技术进化树中，代际的间隔并不明显构成障碍，有些很古老的知识往往也会重获新生，和新近的知识一起成为新知识生成的温床。第三，在人造物进化树中，一个节点分化成多个节点的数量也是有限的，而在专利进化树中这个数量理论上是无限的。目前可知的被引次数最多的专利，其前向引用次数可以达到3000次左右。最后，如前所述，作为知识基础层次的进化过程，其复杂程度远远超过人造物。对于不少专利进化树来说，如延伸至第三代，其节点数量就将数以万计，需要利用一定的技术手段才能够识别出其中的主要路径。

四、基于专利的技术进化树的演化动力

从专利进化树的演化过程来看，本质上是由于知识的活动所推进的。旧知识中的知识单元被游离出来，发生重组形成新的知识集合，专利之间不断的发生引用关系，将进化过程向前推演，这展现出知识进化的自主性的一面。从技术创新过程来看，只有被发明人选中的部分知识会被纳入到技术研发的过程中，再经过遗传和变异过程，导致了新技术基因的形成。卡尔森在《技术创新进化论》中认为爱迪生在发明过程中扮演了遗传工程师的角色，主导了技术基因“杂交”过程［2］。这启示我们，在技术基因层次上，真正起“选择”作用的主体是一个个的发明人个体，是他们的决策和行为引发了技术基因的遗传和变异。这也正符合马克思等人的技术进化观［10］，技术进化不是自我繁衍，而是由意志引导、有意识的、主动的人类活动控制的一种进程，而且受到决定历史的力量的塑造和修饰。

图6描述了一个底层知识基础的进化示意图［11］，我们借此描述人在其中的主导作用。首先，专利发明人建立了一个技术问题，为了解决这个问题，他必须要构建一个知识集。这需要从客观知识世界中进行搜索，然后选择出相应的科学知识和技术知识作为可用的知识集。这表现为专利对其他专利或科学文献的搜索和引用过程。然后，他从选取的可用知识集中抽取相关的知识单元，基于自身的知识结构和智力水平对其进行重新组合，为解决技术问题提供新的知识集合。所不同的是，由于专利还必须具备实用性，这种新的知识还必须具备强烈的可表达性，即通过简单的转化就能够成为现实的技术形态。

图6 底层知识进化过程

科学的推动、社会需求的拉动以及技术体系内部的矛盾是引发技术发展的主要宏观和微观动力。发明人的选择正是在这些力量的推动下而最终实现的。基本逻辑是：技术体系内部的矛盾使得发明人意识到问题的存在，这促使他们去搜索知识世界以提出解决方案。在此过程中，新的科学知识的出现能够为解决技术问题提供新颖和根本的思路，而原有的技术知识能够为解决技术问题提供坚实的知识基础。在已抽取的知识按照何种方式重组的问题上，发明人还间接地受到社会需求的影响，他会尽量面向社会需求设计新知识的表达手段。因此，基因层次的技术进化与人工制品层次的技术进化是有区别的，在这个层次上发明人的个体选择作用对技术进化的作用更加直接和明显。

我们可以结合汤斯的US2929922专利对上述过程做一具体阐释。汤斯和肖洛因雷达研究遇到了如何产生微波的问题，利用分子振荡实现了微波乃至可见光的放大，导致了激光技术的出现。在此过程中，汤斯选择了爱因斯坦的科学理论作为新的技术原理，肖洛等人选择了法布里—珀罗干涉仪等技术装置实现了汤斯的技术设想，从而构建了完整表达激光技术的整个知识集合［12］。后续的其他专利也都大多遵循这个过程，都将汤斯的源头技术作为借鉴和参考。从技术发展的脉络来看，源头专利一般受到科学理论的影响较大，而后续专利更多地注重通过改进结构提高性能，受到社会需求的影响也逐渐增加，体现出发明人在外力作用下决策结果的变化趋势。

五、结 论

首先，遗传、变异等生物进化过程中的基本活动在技术进化中同样存在。以专利及其引用为法则的底层知识中的遗传、变异活动，构成了技术进化树形成和演化的环节。其次，技术进化树与生物进化树有着明显的差异性。在技术进化树中，节点之间的交流障碍理论上是不存在的。不同种类、不同代次之间的节点都能够发生交融，且越是差异性较大的节点越容易产生创造性很强的新的知识。最后，按照一般的说法，生物进化是随机的，是自然选择的结果。技术进化则是有目的的，是人为设计的结果。发明人推动了技术进化的进程，他的选择直接影响了技术进化的方向。

从微观上来看，发明人的行为有随机性，但如果能够把握技术进化的总体过程，就会对特定领域的技术发展趋势做出一定程度上的预测。同时，如将个体专利放在进化树中进行考察，也能够对其技术价值和意义有更加清晰的认识和评价。我们应该利用各种技术手段，把握特定领域技术进化的整体图景和局部特征。一方面可以为技术发明人进行技术研发活动提供选择依据，另一方面，也能够为政府部门制定科技政策和发展规划提供情报参考。当然必须要提到的是，本文所提供的以专利为基础的技术进化过程，只是对于技术进化过程的一种解读。对于技术进化过程及其与生物进化过程的对比研究，需要更多更有效的思路和手段的介入，才能更加全面揭示技术进化的内涵和特征。

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