美国芝加哥大学田博之教授最新Nature：量化可穿戴医疗电子设备的全球生态足迹
温华
一、 【科学背景】
随着柔性材料、低功耗传感与无线通信技术的进步，可穿戴医疗电子设备正迅速从实验室走向市场，成为数字医疗体系中的重要组成部分。这类设备能够实现生理参数的连续监测、疾病早期预警乃至闭环治疗，为慢性病管理、老年照护及个性化健康提供了全新解决方案。然而，其大规模制造与快速更迭背后隐藏着不容忽视的环境代价：依赖贵金属（如金）的电路、能源密集型的半导体工艺、难以降解的弹性体封装，以及短寿命设计导致的频繁更换，均可能带来显著的碳足迹、生态毒性及电子废物问题。当前的研究多聚焦于器件性能提升或单一材料的绿色替代，缺乏从系统层面量化其全生命周期环境影响的分析，更未能将市场增长动态与生态效应相关联。这正构成了本文研究的现实动因——在技术快速扩散的初期，系统评估其全局生态热点，以避免陷入“先发展、后治理”的困境。
本文通讯作者之一、美国芝加哥大学田博之教授长期致力于生物集成电子学与柔性电子器件的前沿研究，其团队在半导体材料与生命系统的交叉领域取得了一系列突破性成果。例如，他早期开创了硅纳米线等半导体纳米结构在细胞电生理调控与记录中的应用，推动了“细胞‑电子界面”领域的发展；近年来，其团队进一步研发了可植入、可降解的生物电子器件，实现了对神经、心脏等组织的长效监测与调控。这些工作共同体现了田博之教授的核心学术思想：通过材料创新与器件设计，构建能够与生物体深度融合、实现精准生物传感与干预的下一代电子系统。本文所关注的可穿戴医疗电子设备，正是这一研究方向在健康监测领域的自然延伸，其核心目标是将高性能电子功能柔性化、微型化，并实现与人体皮肤或组织的稳定兼容，从而支撑持续、实时的健康数据采集与医疗干预。
本研究可视为田博之教授研究脉络的一次重要拓展：从以往专注于“如何实现更好的生物‑电子融合性能”，转向同时追问“这种技术普及对环境系统的综合影响为何”。研究并未脱离其团队在柔性传感、生物集成器件等领域的技术积累，而是以此为基础，首次将系统工程思维与生命周期评估方法深度引入可穿戴医疗电子领域。通过构建“技术成熟度‑市场扩散‑全生命周期影响”的集成分析框架，文章揭示了环境影响的主要热点并非来自通常关注的塑料封装，而是源于集成电路制造中的关键金属使用与高能耗工艺。这一发现挑战了可持续电子领域常见的材料替代范式，并呼应了田博之团队一贯强调的“通过器件架构与材料设计根本性解决问题”的研究哲学。因此，本文不仅为可穿戴医疗电子的绿色设计提供了科学依据，也标志着该领域的研究范式从单一的性能驱动，转向性能、可扩展性与环境可持续性协同优化的新阶段。
二、 【科学贡献】
今日，美国芝加哥大学田博之教授、Chuanwang Yang研究员，以及美国康奈尔大学能源系统工程领域尤峰崎教授合作，在最新Nature上发表了题为“Quantifying the global eco-footprint of wearable healthcare electronics”的论文。本文创新性的提出了一个融合生命周期评估与扩散模型的系统工程框架，专门针对可穿戴设备高更换频率、医疗级封装及受限报废路径等特点进行了定制化评估，并生成了高分辨率的从头生命周期清单数据集。该研究通过对无创连续血糖监测仪、连续心电图监测仪、血压监测仪及掌上超声贴片四种代表性设备进行从摇篮到坟墓的分析，量化了其全谱环境影响指标，发现每台设备的变暖影响在1.1至6.1千克二氧化碳当量之间，其中柔性印刷电路板组装贡献了最主要的碳足迹（例如在血糖仪中占95.9%）和毒性影响，而原材料提取是主要热点阶段。研究进一步整合巴斯扩散模型预测到2050年全球设备年消费量将增长42倍，接近20亿台，年碳排放量可达340万吨二氧化碳当量，并伴随生态毒性与电子废物问题；研究颠覆了传统可持续性对塑料的关注，证明可回收或可生物降解塑料仅带来边际效益，而替代关键金属导体和优化电路架构能显著减少影响且不损害性能。此外，通过组件级评估框架，文章对比了基底、导体和半导体材料的生态环境性能与功能特性，为可持续设计提供了权衡依据。
图1 量化可穿戴电子设备全球生态足迹的框架概览© 2025 Springer Nature Limited
图2 量化可穿戴血糖监测仪的全谱生态足迹© 2025 Springer Nature Limited
图3 可穿戴医疗电子设备的全球生态足迹© 2025 Springer Nature Limited
图4 可穿戴设备中环境可持续性与功能性能的平衡© 2025 Springer Nature Limited
图1 构建了量化可穿戴设备全球生态足迹的四步集成框架：首先，基于创新与模仿系数的巴斯模型预测市场扩散轨迹；其次，建立从原材料到报废的“摇篮到坟墓”全生命周期评估模型；接着，将上述结果转化为全球变暖、生态毒性等多维环境影响指标；最后，识别并评估塑料替代、关键金属替换等系统级缓解策略，为可持续设计提供路线图。图2 以无创连续血糖监测仪为案例，量化了其全谱环境足迹。核心发现是，尽管传感器是功能核心，但柔性印刷电路板（FPCB）组装贡献了超过95%的碳排放和绝大部分毒性影响。研究进一步对比了四种传感器制造工艺，发现卷对卷凹版印刷在分辨率、可扩展性和环境性能之间取得了最佳平衡。图3将生命周期评估与市场扩散模型结合，预测了至2050年的全球环境影响。结果显示，在中等情景下，全球设备年消费量将增长42倍，接近20亿台，其中血糖监测仪将成为主导。由此产生的年碳排放量预计达340万吨二氧化碳当量，中国、印度和欧洲将是排放主要区域，凸显了区域化管理的重要性。图4则深入到材料层面，通过散点图直观展示了基底、导体、半导体三类关键材料在环境影响（如碳足迹、生态毒性）与功能性能（如弹性、电导率、载流子迁移率）之间的根本性权衡。该分析指出，简单替换可降解塑料收效甚微，而用银、铜或导电高分子替代金等关键金属，是大幅降低环境负担而不显著牺牲性能的可行路径。
三、【科学启迪】
总之，本研究给出了一个全新的结论：可穿戴医疗电子设备的主要环境热点并非传统关注的塑料封装，而是柔性印刷电路板（FPCB）中的集成电路和关键金属。尽管单设备碳足迹（1.1-6.1 kgCO₂e）低于智能手机，但其超短寿命（数天至两年）与爆炸式市场增长（预计2050年达20亿台/年）将导致可观的累积影响，年碳排放可达数百万吨级。研究发现，单纯采用可生物降解塑料的减排效益有限（<3%），而用银、铜等替代金、采用模块化设计延长核心电路寿命、以及转向绿色能源，是能大幅降低生态毒性（超60%）和碳足迹（超30%）的有效系统策略。
本文为评估快速扩散的颠覆性技术提供了“技术成熟度-市场动态-全生命周期影响”相融合的系统工程框架，超越了单一材料优化的传统思路。它揭示了“低影响、短寿命、高数量”产品可能隐藏更大的系统风险，警示未来电子创新必须从设计源头统筹性能、耐用性与环境成本，并将评估边界从单个设备扩展至其替代传统医疗系统可能引发的整体资源重组与反弹效应。
原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09819-w
