研究审视可穿戴健康科技的碳足迹
2026年1月6日 可穿戴医疗设备——如血糖监测仪、超声波贴片和血压监测仪——对保障患者安全具有重要价值。康奈尔大学与芝加哥大学最新研究发现，到2050年此类医疗电子设备的全球年需求量可能接近20亿台。但若不采取措施降低环境影响，这些设备到2050年将累计产生超百万吨电子垃圾及1亿吨二氧化碳排放。
该研究于12月31日发表在《自然》杂志，康奈尔大学博士生王炳正（Bingzheng Wang）与芝加哥大学博士后研究员杨传旺（Chuanwang Yang）为共同第一作者。研究结果令人意外：塑料并非最大环境问题，设备印刷电路板才是碳足迹的主要贡献者，占总量的70%，部分原因在于集成电路所需的密集采矿与制造过程。
化解电子元件难题
随着电子产品日益小型化与柔性化，其在医疗领域的应用持续扩展。持续监测患者的血压、血糖或心跳能力，有助于医生和护理人员维持患者稳定并预防危机。但多数此类设备设计为一次性使用——在许多情况下甚至比消费电子产品更甚，因长期使用可能导致性能下降或感染风险。
芝加哥大学化学教授田博之（Bozhi Tian）实验室发现，针对这一快速增长市场的潜在环境影响研究甚少。为应对挑战，其团队与康奈尔大学工程学院能源系统工程扎克讲席教授尤峰崎（Fengqi You）的研究组合作，后者专注于系统级可持续性与全生命周期决策研究。
研究团队首先建立全球设备使用模型。基于当前趋势推算，到2050年全球医疗电子设备需求量将是现今的42倍，年均约20亿台。随后团队开发出测量设备环境足迹的框架，通过整合从原材料采矿、制造能耗到废弃处理的全生命周期环节，综合评估碳排放、材料毒性和电子垃圾影响。分析表明，控制设备电子系统的"大脑"——印刷电路板——以显著优势主导着环境影响。
"当这些设备在全球规模部署时，微小的设计选择会迅速累积效应，"共同作者尤峰崎指出，"我们的分析表明，驱动环境足迹的是电子架构而非塑料部件。"
系统性解决方案
团队提出两大降低碳足迹的潜在方案：
首先，化学家与工程师可开发使用更易获取矿物（如铜或铝）的新芯片，替代黄金等稀有矿物。铜铝稳定性虽低于黄金，导致其未被用于芯片制造，但可能存在设计优化空间。"许多人认为使用更活泼金属需牺牲性能，但我们的分析表明，只要为电路提供额外保护即可满足要求，"田博之表示。
第二大解决方案是设计模块化设备。多数医疗设备需定期更换，若仅丢弃外层覆盖物而保留集成电路完整，将规避最大的碳排放源。其他措施同样有效：若全部设备仅使用可再生能源制造，碳足迹可降低15%。
"如此规模的可持续性问题无法通过单一材料替换解决，"尤峰崎强调，"随着技术持续发展，必须采用系统级方法统筹全生命周期考量。"
鉴于全球科技与医疗企业正大力投资可穿戴设备，研究团队希望其分析框架能推动此类评估的普及化，这对日益融入全球基础设施的数字健康技术至关重要。
本研究获得美国陆军研究办公室、芝加哥大学、铃木博士后奖学金、美国国家科学基金会、卡琳·贝恩与约翰·库克拉尔基金会、埃里克和温迪·施密特科学人工智能 fellowship资助。
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