在數(shù)字醫(yī)療浪潮中，可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備正以前所未有的速度融入日常生活，為慢性病管理、老年護理及健康人群提供實時生理數(shù)據(jù)。然而，在這片繁榮背后，其龐大的環(huán)境代價一直被忽視。這些設(shè)備依賴能源密集型制造、關(guān)鍵金屬和化石基塑料，潛藏著巨大的碳排放、生態(tài)毒性及電子廢物風(fēng)險。隨著市場爆發(fā)式增長與人工智能數(shù)據(jù)處理能耗激增，系統(tǒng)性地評估并緩解其生態(tài)足跡已刻不容緩。

鑒于此，芝加哥大學(xué)田博之教授、康奈爾大學(xué)尤峰崎教授以及芝加哥大學(xué)Chuanwang Yang首次提出了一個集成系統(tǒng)工程框架，對可穿戴醫(yī)療電子設(shè)備的全球生態(tài)足跡進行量化。該研究基于全新構(gòu)建的生命周期清單，結(jié)合市場擴散模型，揭示了從原材料開采、制造、使用到廢棄的全鏈條環(huán)境影響。分析顯示，單臺設(shè)備的碳足跡在1.1至6.1千克二氧化碳當(dāng)量之間。研究預(yù)測，到2050年，全球年消費量將飆升至近20億臺，帶來每年超過340萬噸的二氧化碳排放及嚴(yán)重的電子廢物問題。令人深思的是，研究指出，業(yè)界普遍關(guān)注的塑料回收或生物降解方案效益有限，而替代關(guān)鍵金屬導(dǎo)體和優(yōu)化電路設(shè)計才是實現(xiàn)可持續(xù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。相關(guān)研究成果以題為“Quantifying the global eco-footprint of wearable healthcare electronics”發(fā)表在最新一期《nature》上。

田博之，男，芝加哥大學(xué)教授，2016年斯隆研究獎獲得者，《麻省理工科技評論》雜志“2012年TR35全球杰出青年創(chuàng)新人物”。2016年被美國總統(tǒng)奧巴馬授予的 “美國青年科學(xué)家總統(tǒng)獎”。

值得一提的是，1998年田博之被保送到復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系本碩連讀，并師從趙東元院士。6年間，他發(fā)表科學(xué)論文多篇，以第一作者發(fā)表了包括Nature Materials, Journal of the American Chemical Society, Chemical Communications 在內(nèi)的6篇論文，同時還獲得7項第一發(fā)明人專利，最終被復(fù)旦破格授予博士學(xué)位。

【系統(tǒng)框架：連接技術(shù)發(fā)展與市場軌跡】

為全面評估，研究團隊建立了涵蓋技術(shù)成熟度與市場動態(tài)的系統(tǒng)工程框架（圖1c）。他們選取了四種代表性設(shè)備：無創(chuàng)連續(xù)葡萄糖監(jiān)測儀（nCGM）、連續(xù)心電圖監(jiān)測儀（CEM）、血壓監(jiān)測儀（BPM）及掌上超聲貼片（POCUS），覆蓋了從新興到成熟的不同市場階段。通過將生命周期評估與巴斯擴散模型結(jié)合，研究不僅量化了單臺設(shè)備的影響，更預(yù)測了未來數(shù)十年因市場采納而引發(fā)的全球環(huán)境負(fù)擔(dān)。

圖 1. 全球可穿戴電子生態(tài)足跡量化框架概述

【碳足跡解析：集成電路是核心熱點】

以使用周期為14天的nCGM為例（圖2），其平均碳足跡為1.94千克二氧化碳當(dāng)量。深入剖析發(fā)現(xiàn)，盡管實現(xiàn)傳感功能的核心電化學(xué)傳感器貢獻甚微（僅占3%），但負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的柔性印刷電路板（FPCB）組件卻貢獻了超過95%的碳排放（圖2c）。其中，制造過程高度復(fù)雜的集成電路（IC）是最大元兇，占設(shè)備總排放的62.6%（圖2e）。這揭示了可穿戴設(shè)備與智能手機、筆記本電腦相似的環(huán)境熱點模式。

【毒性影響：關(guān)鍵金屬開采是主要源頭】

除氣候變化影響外，可穿戴設(shè)備還帶來顯著的生態(tài)毒性負(fù)擔(dān)。對于nCGM，其陸地生態(tài)毒性和人類非致癌毒性指標(biāo)均遠(yuǎn)超碳足跡數(shù)值（圖2b）。毒性影響超過95%來源于原材料獲取階段，尤其是金等關(guān)鍵金屬的采礦與精煉過程，該過程消耗大量能源和化學(xué)品，易導(dǎo)致水污染與生態(tài)破壞。

圖 2. 量化可穿戴血糖儀的全光譜生態(tài)足跡

【橫向比較：低影響、短壽命的陷阱】

研究進一步比較了四類設(shè)備（圖3a,b）。POCUS因結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，單臺碳足跡最高（6.11 kgCO?e）。然而，當(dāng)考慮實際使用壽命時，結(jié)論更為嚴(yán)峻。例如，nCGM和CEM通常一年內(nèi)即被丟棄，而智能手機壽命可達3-5年。計算年度化碳足跡后發(fā)現(xiàn)，頻繁更換的nCGM和CEM，其年化環(huán)境影響甚至超過了智能手機。這警示我們：大量低影響但短命的產(chǎn)品，其累積危害可能遠(yuǎn)超高影響但耐用的產(chǎn)品。

圖 3. 代表性可穿戴設(shè)備的環(huán)境影響比較

【未來重壓：2050年排放堪比大城市交通】

研究通過市場擴散模型預(yù)測了未來增長（圖4a-c）。在中等情景下，到2050年，僅nCGM年銷量預(yù)計達14億臺，超過當(dāng)前全球智能手機銷量。屆時，全球每年因這四類設(shè)備產(chǎn)生的溫室氣體排放將達340萬噸CO?e（圖4d），其中nCGM貢獻近八成。這一排放量堪比芝加哥等大城市的交通部門年排放。同時，由此產(chǎn)生的電子廢物將快速增長，到2050年累計可達40萬噸（中等情景），其微型化與材料復(fù)雜性為回收管理帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。從地域分布看，中國、印度、歐洲和中東將成為排放的主要區(qū)域（圖4g,h）。

圖 4. 可穿戴醫(yī)療電子產(chǎn)品的全球生態(tài)足跡

圖 5. 可穿戴設(shè)備的環(huán)境可持續(xù)性與功能性能的平衡

【策略評估：顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的解決方案】

研究系統(tǒng)評估了四種主流緩解策略的有效性（圖6）：塑料替代/回收效益有限：使用聚乳酸（PLA）、纖維素等生物基材料替代傳統(tǒng)塑料封裝，或?qū)崿F(xiàn)100%塑料回收，僅能降低碳足跡1-3%（圖6b）。因設(shè)備環(huán)境影響主體是FPCB而非塑料，此策略作用有限。關(guān)鍵金屬替代潛力巨大：在集成電路中用儲量豐富的銀、銅或鋁替代環(huán)境代價極高的金，可降低碳足跡約30%，并減少生態(tài)毒性指標(biāo)超過60%（圖6c）。在一次性使用且被充分封裝的可穿戴設(shè)備中，此方案可行。模塊化設(shè)計是“唾手可得的果實”：針對傳感模塊壽命短（如nCGM酶兩周失效）而電路板壽命長的矛盾，采用可插拔的模塊化設(shè)計，僅更換傳感器和電池，可重用核心電路。此舉能將單次使用的碳足跡降低55%至62%（圖6d），是立竿見影的高效策略。能源轉(zhuǎn)型至關(guān)重要但非萬能：將電力系統(tǒng)從化石能源為主轉(zhuǎn)向可再生能源密集的情景，可使設(shè)備制造相關(guān)的碳足跡降低約一半（圖6e）。然而，這對原材開采造成的生態(tài)毒性等問題改善甚微，需與其他策略結(jié)合。

圖 6. 量化基于生命周期的減緩策略的環(huán)境效益

【結(jié)論與前瞻：邁向系統(tǒng)級可持續(xù)創(chuàng)新】

本研究首次為可穿戴醫(yī)療電子領(lǐng)域提供了量化、前瞻性的生態(tài)足跡圖譜。它明確指出，應(yīng)對該行業(yè)的環(huán)境挑戰(zhàn)，必須超越對單一材料（如塑料）的優(yōu)化，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級的重新設(shè)計。優(yōu)先策略包括：采用銀、銅等替代關(guān)鍵金屬，推行模塊化架構(gòu)延長核心部件壽命，以及結(jié)合全球能源結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型。

展望未來，通過生物工程增強傳感器酶的穩(wěn)定性、開發(fā)更高性能的柔性導(dǎo)電材料、推進系統(tǒng)級芯片集成以簡化電路，將是進一步削減環(huán)境足跡的關(guān)鍵技術(shù)路徑。最終，推動可穿戴醫(yī)療電子的可持續(xù)發(fā)展，需要產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)——從材料科學(xué)家、產(chǎn)品設(shè)計師、制造商到政策制定者和消費者——共同實踐這種全局性的生態(tài)責(zé)任理念。