第 3.0 章 - 設計元素

 工程作為整體，是將知識應用於設計、建造和執行滿足特定目標的系統。設計好的自我改進系統除了其自身的目標外，還具有透過內部行動改進的目標。因此，它們屬於工程系統的範圍。種子工廠及其成長為成熟的工廠，是一種自我改進系統。因此，工程也適用於它們。

 在之前的章節中，我們介紹了自我改進和種子工廠的一般概念，作為解決當前和未來問題、構建更美好的生活和滿足我們需求的方式。在本章中，我們將介紹這些系統相關的設計元素和特徵。其中包括一些新概念、想法、度量和方法。在下一章，4.0 設計流程，我們將把它們與更傳統的工程方法結合到一個整合的流程中。

 請注意，這兩章中描述的系統工程適用於複雜專案，涉及多個人和新設計。如果你想用常見的裝置建立一個家庭工作室，那麼這已經做過很多次了。你可以參考第 5.5 章中的參考資料和工具清單。只要稍微計劃一下，並佈置好工作室空間，你就可以很快地開始搭建。

1.0 - 廣義自我提升

 

 自我複製，作為應用於技術系統的概念，是在 1950 年代及以後發展起來的。它借鑑了生物學中的細胞機制、軟體中的資料處理以及使用自動化和機器人的製造方法。在機器形式中，它是一個生產系統，可以製造出與原始系統幾乎完全相同的直接副本。對於太空專案，它最初被設想為自主的，無需人工操作或外部供應。這是由於將兩者運送到這些偏遠地區的困難。

 這些書籍中描述的自我改進概念比自我複製更廣義。它將複製視為一種特殊情況，僅限於直接增加副本數量，而不改變其他特徵。製造間接副本是一種更通用的方法：一個啟動集用於新增原始集中沒有的新專案。擴充套件後的集合被重複用於製造額外的專案，這個過程稱為遞迴。在某個時刻，擴充套件後的集合可以製造原始集合的副本。

 一旦允許新增新專案，變化和進化就成為可能。在擴充套件過程中製造的專案集合每次都會有所不同。最終的副本在功能上可能是等效的，能夠進行一系列進一步的副本。但每一代都可以在質量、大小和其他特徵上進化。一個自我改進系統也可以透過從製造更多啟動集來實現進化。透過新增不同的專案集合，它可以適應其他任務，並具有新的目標。

 更通用的方法也允許人們成為系統的一部分，以及根據需要從外部獲取零件、材料、工具、機器、能量和其他物品。包含人員和供應使系統能夠從更少的專案開始工作，遠在它能夠自我複製之前。理論上，先進的自我改進系統仍然可以完全自動化和自給自足，無論是從一開始還是透過進化到這一點。它只需要當地的原材料和能源來源才能執行。但是，這種系統設計起來要困難得多，因此我們並不需要它在一般情況下。在大多數情況下，包含人員並從外部獲取一些物品會更容易、更簡單。

2.0 - 附加功能

 

 自我改進和製造副本並不是這些系統的唯一目標。相反，它們是實現其他目標的手段，例如製造有用的產品來改善我們的生活質量，並滿足人類的需求和願望。為了實現這些目標，我們將在其設計中包含以下功能中的部分或全部功能

• 它們可以將部分商品和服務輸出用於內部增長。剩餘部分用於其他目的，例如出售以獲得收入或由系統所有者直接使用。用於內部增長的百分比可以隨著時間的推移而變化。

• 它們可以使用啟動集，將初始規模、複雜性或成本降至最低，或者將增長率最大化。後期的改進可以強調其他目標，例如效率或輸出的多樣性。

• 它們可以透過向啟動集中新增新的和不同的裝置來實現多樣化。新增的裝置可以實現新的產品和流程，進而可以帶來進一步的多樣化。

• 它們可以透過製造現有裝置的更大或更小版本來實現規模化。一個價格合理的 小型啟動集可以擴充套件到更大的工業能力。

• 這些系統可以複製其自身零件的任何百分比，從 0 到 100%。無法在內部製造的任何物品都從外部供應。生產輸出可以出售或交易以換取材料和它們無法在內部生產的難以製造的物品。自我複製的百分比可以隨著時間的推移而變化。

• 它們可以將人員的勞動和自動化混合使用，從 0 到 100%，並且混合比例可以隨著時間而變化。高度自動化對生產力有利，但應在合理且負擔得起的情況下使用。極端程度的自動化很可能會很昂貴，而且很難設計。勞動力和運營控制可以在現場提供，也可以透過現代通訊遠端提供。

• 自我改進系統不限於單個物理站點。單個站點使某些任務更容易，但現代交通運輸、通訊和控制系統能夠建立分散式運營網路。完全在一個地方建造的工廠是設計選擇，而不是假設或規則。

• 這些系統可以使用模組化和增量設計。模組使用規則的間距和標準聯結器，以便更輕鬆地進行更改。增量意味著你不需要從所有裝置開始，甚至不需要設計它們。可以根據需要進行單個更改和升級。

• 它們可以使用新的設計和運營方法來管理一個複雜而不斷發展的系統。一種是材料和能源資源核算，以平衡系統內的流量，並記錄系統外部的來源和副作用。另一種是流程編譯器，可以自動化面對不斷變化的系統的規劃。

3.0 - 系統度量

 

 如果我們想要一個能夠自我改進的系統，我們必須瞭解什麼是改進，而不是惡化。我們還希望規劃、設計、計算、最佳化和度量這些改進。在自然界中，像氧化事件這樣的變化本身並沒有好壞之分。這對使用氧氣的生物是有益的，而對不使用氧氣的生物是有害的。它也具有使礦物型別多樣化的副作用。因此，變化是好是壞取決於誰和什麼受到影響。對於人來說，可以是個人，也可以是更大的群體。在最近幾十年中，我們也必須考慮變化對我們周圍環境的影響。

 在工程領域以及它們所基於的科學和數學領域，我們使用度量來更好地理解和設計事物。一個簡單的物體，比如一塊磚塊，可以透過大小和重量等物理量進行測量。這些測量結果可以用來計算建造一堵牆需要多少塊磚，或者牆的重量是多少。類似地，對於一個複雜的系統，比如一個自我升級的工廠，我們希望有一些有用的測量值來進行計算或比較一種設計與另一種設計。一個尺寸測量，例如磚塊的 25 釐米，包含兩個部分，一個數量 (25) 和一個度量單位 (釐米)。我們的系統度量也將包含數量和相關的單位。

 然後，一套度量可以用來判斷一個變化是好是壞。但是，並非所有特徵和度量都是客觀的。人類的願望，而不是需求，是主觀的。它們可以在不同的人之間變化，即使是同一個人在不同時間也會變化。我們可以詢問人們他們想要什麼，但也要記住他們意見的多樣性。因此，自我改進系統的設計及其所產生的輸出應該允許多樣性和變化，而不是將所有人固定在單一的解決方案上。

 到目前為止，在我們的工作中，我們已經確定了以下度量，我們將其分為不同的類別。這些度量是除了重量和功率輸出等標準工程度量之外的度量

3.1 - 自我擴充套件度量

 

 種子工廠和其他自完善系統的一個關鍵特徵是透過複製、多元化和擴充套件等方法實現自我增長。因此，一組有用的指標是衡量它們能夠增長的程度。

閉包

 一個理想的自複製工廠能夠複製其所有自身部件，並製造出有用的產品。人類製造的系統並非完美，因此我們希望衡量它能夠複製多少自身部件。在數學中，一個閉集是指“包含對自身成員應用給定運算後獲得的所有值的集合”。過去討論複製系統時，使用術語閉包來指代工廠的輸出包括其自身執行所需的所有部件。

&esmp;閉包也與“閉環”的概念相關，其中來自某個過程的輸出迴圈回系統，成為生產投入，例如操作該過程的裝置。對於複製來說，閉包只計算工廠本身。我們可以將其推廣到包括工廠及其製造的產品。

 閉包比率，CR，是指工廠能夠製造的輸出數量，除以工廠自身使用的總數量。例如，使用工廠的零件數量作為衡量指標

$CR(parts)={\frac {N(produced)}{N(total)}}$,

其中N(total)是工廠製造的零件總數，N(produced)是它能夠自行製造的輸出零件數量。您可以透過質量、成本、零件數量、設計資料和其他變數來衡量閉包比率。因此，CR(質量) = 0.98表示該系統能夠按質量生產其自身98%的零件，其餘2%的零件必須從其他地方供應才能製作完整的副本。

 我們還可以衡量除工廠本身之外的最終產品的閉包，CR_ep。這是指工廠內部製造的最終產品佔工廠外部供應的零件和材料的比例。例如，一家為客戶組裝電腦但未自行製造任何元件的本地電腦店，其產品閉包比率為0%。最後，我們可以衡量工廠及其所有產品的閉包比率，CR_all。最終產品和組合工廠+產品比率均可以透過質量、成本和其他之前提到的變數來衡量。

 計算現有工廠和產品的閉包比率是一個簡單的計數或測量過程。分析未來自擴充套件系統在其生命週期內的潛在閉包比率更加複雜。這遵循一個逐步的過程，從最終產品反推到您開始使用的任何裝置。對於全新的種子工廠專案，您從沒有裝置開始 - 啟動套件從其他地方供應。因此，除非您從只有人力和原材料開始，否則無法達到新系統的100%閉包比率。

 第一步是確定製造最終產品所需的機器和工藝。由此，您可以確定哪些裝置您尚未配備。對於缺失的裝置，您可以進一步確定目前使用現有裝置能夠製造多少。最終，您將追溯到所有能夠製造的零件和材料，或者那些您無法制造的零件和材料。內部製造量與最終產出量之比就是這些產品的閉包比率。在進行此類分析時，應考慮將一個過程中的廢料在另一個過程中使用或回收。當您將工廠本身視為最終產品時，閉包比率衡量的是工廠複製自身的能力。

 一個旨在實現100%閉包的自擴充套件系統將擁有一個啟動套件，該套件可以製造所有後續專案以及自身的副本。我們知道我們整個工業文明可以做到這一點。我們目前的所有裝置都可以追溯到前幾代的裝置和原材料，而且我們仍然可以複製最古老和最簡單的工具。原則上，一個比整個文明更小的集合，至少包含每種型別的一臺機器，也應該能夠完全複製自身。

 在實踐中，一些工藝，例如製造計算機晶片，在少量情況下難以且昂貴。其他工藝需要稀有材料，或者很少進行，因此從經濟角度來看，擁有自己的裝置來完成這些工藝並不合理。之前關於這種閉環生產的少數研究發現，大約1-2%的總專案在實際操作中無法自行製造，換句話說，閉包率為98-99%。儘管如此，不得不購買或進口1-2%的零件和材料，比當前工廠的水平有了極大的改善。

輸出範圍

 一個有用的工廠能夠製造除自身副本之外的其他輸出。任何工廠的輸出範圍，OR，可以透過相對於工廠自身相同引數的可能輸出範圍來定義。因此，按質量計算的200%輸出範圍意味著可能輸出的列表的質量是工廠的兩倍。這是透過計算每種輸出的一個副本來計算的。大多數工廠旨在生產產品的多個副本，但這衡量的是總產量，而不是產品種類方面的範圍。對於像鋼板卷材這樣的連續生產材料，一個副本是可以交付的負載。與閉包一樣，輸出範圍可以用質量、成本、零件數量、設計資料和其他引數來衡量。

 當輸出範圍包含工廠自身的一些零件時，則按質量計算的OR可以表示為

$OR(mass)=CR(mass)+EP(mass)$,

其中OR(質量)是總輸出範圍的質量，CR(質量)是按質量計算的閉包比率，即它能夠輸出的自身零件的質量，EP(質量)是它能夠製造的所有其他最終產品的質量。不製造任何自身零件的傳統工廠將擁有CR(質量) = 0，並且EP(質量) > 0。儘管傳統工廠的閉包比率往往很低，但通常並不為零。例如，水泥廠和鋼鐵廠通常在其建設中使用一些水泥和鋼鐵，而電子工廠通常在其自身運營中使用一些電子元件。種子工廠只是有意設計成具有更高的閉包水平。

 傳統工廠的輸出範圍可能相當低。例如，汽車的質量遠小於生產它的汽車裝配廠的質量。半導體工廠的規模遠大於它生產的晶片。這通常是高度專業化和大規模生產以犧牲產品靈活性為代價的結果。擁有可程式設計智慧工具的自擴充套件工廠更能改變其輸出，透過更改要製造的零件的軟體檔案，然後組裝成產品。因此，它們能夠達到更高的輸出範圍。

擴充套件範圍

 輸出範圍是指工廠能夠製造的所有輸出。擴充套件範圍，ER，是指可用於擴充套件工廠的輸出集合，相對於其製造的集合。因此，如果工廠使用8個生產過程，並且可以生產4個新過程的零件，則其按過程數量計算的擴充套件範圍為50%。擴充套件範圍的度量可以採用質量、零件數量、所用材料數量或其他數量，除了過程數量之外。例如，我們可以寫出公式

$ER(parts)={\frac {N(expansion\ parts)}{N(factory\ parts)}}$,

其中ER(零件)是按零件數量計算的擴充套件範圍，N(擴充套件零件)是擴充套件工廠所需的零件數量，N(工廠零件)是當前工廠的零件數量。一個能夠複製所有自身零件但不能製造不同裝置的任何新零件的工廠，其CR(零件) = 100%且ER(零件) = 0%。這在現實世界中不太可能發生，但目前我們只是試圖解釋這些指標的型別。

 擴充套件範圍會隨著自擴充套件工廠的增長而變化。它可能在種子階段很低，因為只有少數啟動機器可用，並且只能生產少數型別的新品種。然後它可能會隨著工廠的增長而增加，因為它能夠製造更多型別的材料和零件，並在它達到其能夠使用材料和工藝型別的實際限制時再次下降。擴充套件範圍在不斷增長的工廠中如何變化是一個新的研究領域，目前還沒有得到很好的理解。

 整個文明的CR > 100%，而ER > 0%。每件現有的生產裝置都是在某個地方製造的，因此只需以相同的方式再製造一個就能複製。因此，文明能夠複製其所有零件。隨著時間的推移，不斷增長的產品範圍表明，現有裝置可以製造以前不存在的新裝置。這透過例項證明了高閉包率和擴充套件率是可能的。種子工廠的設計挑戰是，用比整個文明更小的啟動套件達到高水平。

3.2 - 生產指標

 

 與任何工廠一樣，我們希望這些書中的工廠能夠生產出有用的產品。因此，另一套指標是基於產出數量和速率。如果一個給定的工廠元素可以生產 50 公斤的產出，那麼 50 公斤就是一個絕對單位的生產量，在公式中用 P 表示。

 生產比率 (PR) 是產出量除以工廠元素或整個工廠的相同指標的度量。因此，產出物的總質量除以工廠元素的質量就得到了生產質量比率 PR(mass)。根據系統中哪些特徵很重要，可以測量許多這樣的比率。

 比率是簡單的數字或分數。用絕對單位除以時間就得到了生產速率 P/t，例如 50 公斤/小時。透過將時間單位新增到生產比率中，它也變成了一個速率。因此，如果系統每年生產出三倍於自身質量的產出，那麼產出質量速率 PR(mass)/t 就是 3.0/年。

  相對生產比率可以透過將自我擴充套件的設計與非擴充套件和非自動化工廠進行比較來定義。例如，如果一家傳統工廠需要購買所有零件和準備好的材料，而我們成熟的自動化工廠只需要購買 2%，並從原材料和能源中內部製造 98%，那麼相對生產比率是 100%/2% = 50 倍，比購買所有物品高出 50 倍。

 相對成本比率是自我改進設計與傳統設計的生產總成本。這包括以下因素的影響：

•  更低的資本成本，因為工廠部分是自己建造的，
•  更低的零件和材料成本，因為購買的成品更少，材料更接近於更便宜的原材料狀態，
•  由於自動化程度提高以及生產步驟之間的自動化轉移，勞動力成本降低，
•  由於任務集中在一個地方而降低了間接費用。這來自於消除生產鏈中的中間階段，以及它們在運輸、會計和利潤率方面的水平，最後
•  來自整合操作的節省，當原本是某一過程的廢料或廢物可以作為另一過程的投入時。

 當然，成本不會降至零。土地、原材料、用於運營和管理工廠和設計產品的勞動力以及其他成本仍然存在。然而，如果上述成本降低因素足夠大，這將為追求自我改進設計而不是傳統設計提供一個主要理由。

3.3 - 增長指標

 

 人們經常關心的一個指標是工廠的增長或自我複製速度。通常，這表示為增長量除以原始尺寸，再除以時間間隔，或G/t，以每年百分比表示。表達增長率的另一種方法是倍增時間 - 工廠規模翻一番所需的時間。

 增長率受到工廠中最慢的流程的限制。因此，設計良好的工廠將平衡其各部分的尺寸和速度，以便任何部分都不相對於其他部分過慢。由於工廠需要能量才能執行，因此這通常是限制增長率的因素之一。例如，我們可以估算一個簡化工廠模型所需的能量量和增長率。

體現能量是指從原材料到最終安裝完成，在製造一件物品過程中使用的總能量。據說這種能量“體現”在最終產品中，儘管其中大部分能量實際上是在其他地方使用的。  對於我們的簡化工廠模型，我們將假設工廠面積的平均每平方米包括 10 釐米的碎石、20 釐米的混凝土基礎板，以及相當於 30 釐米的鋼材，用於工廠裝置和包含它們的建築物。實際的裝置和建築物的高度將比這高，但為了計算體現能量，我們可以將其視為一塊具有給定厚度的金屬板。  然後，根據材料密度，我們得到 140 公斤的碎石、480 公斤的混凝土和 2340 公斤的鋼材。這些材料的體現能量分別為 0.083、1.14 和 10 兆焦耳/公斤，可以從參考資料如碳和能源清單（電子表格，v2.0，2011）中找到。將每種材料的質量/面積乘以能量/質量，然後相加，我們得到每平方米 11.6 + 547.2 + 23,400 = 23,958.6 兆焦耳。我們將其四捨五入為 24,000 兆焦耳/平方米，作為生產我們簡單模型工廠所需的能量。  假設工廠由熱能和光伏太陽能收集器以 50/50 的比例混合供電，位於平均氣候條件下。其中一半提供每天 4 小時的熱能，功率為 850 瓦/平方米，另一半提供每天 4 小時的電能，功率為 160 瓦/平方米。如果它們的總收集面積是工廠地面面積的 3 倍，那麼它們每天將產生 21.82 兆焦耳/平方米的工廠地面面積。  將生產模型工廠所需的能量除以這個數字，得到 1100 天才能產生足以複製工廠的能量。我們需要加上 175 天來計算製造太陽能收集器所需的能量。這樣一來，生產足夠的能量來複制工廠和電源供應所需的總時間為 1275 天，即 3.5 年。這相當於每年 22% 的增長率。實際上，我們的工廠會比我們簡單的三層示例更復雜，除了能量之外，還有其他因素可能會限制增長率。

 太陽能收集器每單位面積所需的時間更少，才能產生自己的體現能量。這是因為它們所需的材料比建造工廠所需的約 3,000 公斤/平方米少得多。因此，電源與工廠其他部分的比例越高，倍增時間就越短，直到其他因素限制了增長率為止。工廠機器的執行速度更快，以及更高的佔空比也可以縮短倍增時間並提高增長率。但是，這也會增加裝置磨損，可能需要更堅固，因此更重的裝置。

 地球未來的增長率可能存在一些實際的限制。地球上的不同地點可再生能源的可用性不同。受地點限制較小的非化石能源，如核能，其產量可能與建造過程中的體現能量相比並不高。化石能源的能量輸出相當高，但由於其副作用而不可取。工廠裝置的執行速度和強度也有限度。

 在地球之外，在避開大型天體陰影的軌道上，陽光可以 100% 的時間照射。由於沒有大氣吸收，陽光也強 36%。因此，與地面位置相比，太空中可用的能量高 4-10 倍。生產過程可能更快或更輕，因為裝置不必承受重力，真空是一個很好的絕緣體，而深空是一個無限的熱沉。因此，增長率可能非常高。要研究這種潛力，還需要做很多工作。

 增長比率 - 我們可以將成熟工廠與啟動裝置的各種比率描述為增長比率 (GR)。其中最簡單的是物理尺寸的比率。成熟工廠的質量或地面面積可以相對於啟動工廠進行衡量。因此，一個地面面積是啟動裝置 10 倍的成熟工廠將具有 GR(面積) = 10。複雜性的度量可以計算成熟裝置與啟動裝置中的流程或裝置型別數量，或者檢視它們的設計相關資料，包括計算機檔案、圖紙數量或製造裝置的生產步驟數量。顯然，啟動裝置需要 GR > 1.0 才能增長。

3.4 - 效率指標

 

 傳統的工程效率指標是有用輸出除以總能量輸入，通常以百分比表示。這適用於檢視孤立的特定過程或裝置。對於一個將一個過程的廢物作為另一個過程的輸入並回收材料的整合工廠，我們想要檢視整個工廠的系統總效率。

 當一個生產系統生產部分或全部自己的能量時，能量回報率 (EROEI) 的比率可能是一個有用的指標。回報能量包括作為能量交付給外部使用者的能量，以及產品中體現的能量。投入能量是來自外部來源的能量加上裝置、零件和材料投入的體現能量，其中兩種投入都用於建造和運營工廠。

 傳統的工程效率和回報率考察的是總投入。我們還可以考察可再生能源效率 REE，因為我們對生產的可持續性感興趣。這個指標是指可再生能源，既作為直接能量輸入，也作為體現形式的輸入，除以兩種形式的總輸出。如果未使用任何可再生能源，則 REE = 0%。理論上，所有能量都可以來自可再生能源，所有材料都可以回收或來自可再生能源，從而得到 REE = 100%。實際上，在實際系統中，這個指標將小於 100%。

 沒有哪種能源來源是真正可再生的 - 熵是一個單向過程。當我們使用這個術語時，我們指的是該來源在人類和文明的時間尺度上得到補充。例如，風力渦輪機吸收風中的一部分能量並將其轉換為電能，但明天將會有更多風。地熱能起源於地球內部的放射性衰變。特定電廠可能會消耗某個地點的熱量，但最終將有更多熱量從更深的地層遷移過來。