在数字医疗浪潮中,可穿戴健康监测设备正以前所未有的速度融入日常生活,为慢性病管理、老年护理及健康人群提供实时生理数据。然而,在这片繁荣背后,其庞大的环境代价一直被忽视。这些设备依赖能源密集型制造、关键金属和化石基塑料,潜藏着巨大的碳排放、生态毒性及电子废物风险。随着市场爆发式增长与人工智能数据处理能耗激增,系统性地评估并缓解其生态足迹已刻不容缓。
鉴于此,芝加哥大学田博之教授、康奈尔大学尤峰崎教授以及芝加哥大学Chuanwang Yang首次提出了一个集成系统工程框架,对可穿戴医疗电子设备的全球生态足迹进行量化。该研究基于全新构建的生命周期清单,结合市场扩散模型,揭示了从原材料开采、制造、使用到废弃的全链条环境影响。分析显示,单台设备的碳足迹在1.1至6.1千克二氧化碳当量之间。研究预测,到2050年,全球年消费量将飙升至近20亿台,带来每年超过340万吨的二氧化碳排放及严重的电子废物问题。令人深思的是,研究指出,业界普遍关注的塑料回收或生物降解方案效益有限,而替代关键金属导体和优化电路设计才是实现可持续创新的关键。相关研究成果以题为“Quantifying the global eco-footprint of wearable healthcare electronics”发表在最新一期《nature》上。
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田博之,男,芝加哥大学教授,2016年斯隆研究奖获得者,《麻省理工科技评论》杂志“2012年TR35全球杰出青年创新人物”。2016年被美国总统奥巴马授予的 “美国青年科学家总统奖”。
值得一提的是,1998年田博之被保送到复旦大学化学系本硕连读,并师从赵东元院士。6年间,他发表科学论文多篇,以第一作者发表了包括Nature Materials, Journal of the American Chemical Society, Chemical Communications 在内的6篇论文,同时还获得7项第一发明人专利,最终被复旦破格授予博士学位。
【系统框架:连接技术发展与市场轨迹】
为全面评估,研究团队建立了涵盖技术成熟度与市场动态的系统工程框架(图1c)。他们选取了四种代表性设备:无创连续葡萄糖监测仪(nCGM)、连续心电图监测仪(CEM)、血压监测仪(BPM)及掌上超声贴片(POCUS),覆盖了从新兴到成熟的不同市场阶段。通过将生命周期评估与巴斯扩散模型结合,研究不仅量化了单台设备的影响,更预测了未来数十年因市场采纳而引发的全球环境负担。
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图 1. 全球可穿戴电子生态足迹量化框架概述
【碳足迹解析:集成电路是核心热点】
以使用周期为14天的nCGM为例(图2),其平均碳足迹为1.94千克二氧化碳当量。深入剖析发现,尽管实现传感功能的核心电化学传感器贡献甚微(仅占3%),但负责数据处理的柔性印刷电路板(FPCB)组件却贡献了超过95%的碳排放(图2c)。其中,制造过程高度复杂的集成电路(IC)是最大元凶,占设备总排放的62.6%(图2e)。这揭示了可穿戴设备与智能手机、笔记本电脑相似的环境热点模式。
【毒性影响:关键金属开采是主要源头】
除气候变化影响外,可穿戴设备还带来显著的生态毒性负担。对于nCGM,其陆地生态毒性和人类非致癌毒性指标均远超碳足迹数值(图2b)。毒性影响超过95%来源于原材料获取阶段,尤其是金等关键金属的采矿与精炼过程,该过程消耗大量能源和化学品,易导致水污染与生态破坏。
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图 2. 量化可穿戴血糖仪的全光谱生态足迹
【横向比较:低影响、短寿命的陷阱】
研究进一步比较了四类设备(图3a,b)。POCUS因结构最复杂,单台碳足迹最高(6.11 kgCO₂e)。然而,当考虑实际使用寿命时,结论更为严峻。例如,nCGM和CEM通常一年内即被丢弃,而智能手机寿命可达3-5年。计算年度化碳足迹后发现,频繁更换的nCGM和CEM,其年化环境影响甚至超过了智能手机。这警示我们:大量低影响但短命的产品,其累积危害可能远超高影响但耐用的产品。
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图 3. 代表性可穿戴设备的环境影响比较
【未来重压:2050年排放堪比大城市交通】
研究通过市场扩散模型预测了未来增长(图4a-c)。在中等情景下,到2050年,仅nCGM年销量预计达14亿台,超过当前全球智能手机销量。届时,全球每年因这四类设备产生的温室气体排放将达340万吨CO₂e(图4d),其中nCGM贡献近八成。这一排放量堪比芝加哥等大城市的交通部门年排放。同时,由此产生的电子废物将快速增长,到2050年累计可达40万吨(中等情景),其微型化与材料复杂性为回收管理带来严峻挑战。从地域分布看,中国、印度、欧洲和中东将成为排放的主要区域(图4g,h)。
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图 4. 可穿戴医疗电子产品的全球生态足迹
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图 5. 可穿戴设备的环境可持续性与功能性能的平衡
【策略评估:颠覆传统认知的解决方案】
研究系统评估了四种主流缓解策略的有效性(图6):塑料替代/回收效益有限:使用聚乳酸(PLA)、纤维素等生物基材料替代传统塑料封装,或实现100%塑料回收,仅能降低碳足迹1-3%(图6b)。因设备环境影响主体是FPCB而非塑料,此策略作用有限。关键金属替代潜力巨大:在集成电路中用储量丰富的银、铜或铝替代环境代价极高的金,可降低碳足迹约30%,并减少生态毒性指标超过60%(图6c)。在一次性使用且被充分封装的可穿戴设备中,此方案可行。模块化设计是“唾手可得的果实”:针对传感模块寿命短(如nCGM酶两周失效)而电路板寿命长的矛盾,采用可插拔的模块化设计,仅更换传感器和电池,可重用核心电路。此举能将单次使用的碳足迹降低55%至62%(图6d),是立竿见影的高效策略。能源转型至关重要但非万能:将电力系统从化石能源为主转向可再生能源密集的情景,可使设备制造相关的碳足迹降低约一半(图6e)。然而,这对原材开采造成的生态毒性等问题改善甚微,需与其他策略结合。
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图 6. 量化基于生命周期的减缓策略的环境效益
【结论与前瞻:迈向系统级可持续创新】
本研究首次为可穿戴医疗电子领域提供了量化、前瞻性的生态足迹图谱。它明确指出,应对该行业的环境挑战,必须超越对单一材料(如塑料)的优化,转向系统级的重新设计。优先策略包括:采用银、铜等替代关键金属,推行模块化架构延长核心部件寿命,以及结合全球能源结构绿色转型。
展望未来,通过生物工程增强传感器酶的稳定性、开发更高性能的柔性导电材料、推进系统级芯片集成以简化电路,将是进一步削减环境足迹的关键技术路径。最终,推动可穿戴医疗电子的可持续发展,需要产业链各环节——从材料科学家、产品设计师、制造商到政策制定者和消费者——共同实践这种全局性的生态责任理念。
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