第 1.0 章 - 導言
在工程學中，一個系統是一組相關元素，根據規則協同工作以形成整體。系統是具有邊界、被環境包圍的獨立實體。它們被定義用於理解、分析、設計和改進等目的。系統可以包括人以及任何其他型別的元素。
系統具有諸如生活質量、規模、排放和輸出速率等感興趣的特徵。它們朝著期望方向的變化被認為是改進。自我改進是指系統內部行為產生的變化。它在歷史上以許多方式發生，例如生命的進化和文明的發展。
縱觀歷史，城市等大型系統一直在增長，並對其自身進行了重大改進。但從一開始就針對增長和自我改進進行有意設計的情況很少見。從一開始就設計以避免環境破壞和汙染等副作用更為罕見。因此，這些卷主要面向未來，描述了以前從未做過的那類專案。這與土木工程等成熟領域形成對比，在這些領域，有許多過去建設專案的例子，也有許多具有開發技能和經驗的人員。
請注意，本套書中的兩卷都是未完工的進行時工作。它們展示了我們迄今為止所做的事情，但遠未完成。章節分為編號的網頁，網頁又分為多個部分和子部分，以便於交叉引用。
在本卷中，我們考慮了一般性的自我改進，以及一個名為種子工廠的特定示例。這是一個系統，具有故意設計為透過重複過程改進的裝置起始集。
工廠的一部分產能用於為工廠本身製造更多或更好的裝置。剩餘的產能用於製造有用的產品，就像任何其他工廠一樣。用於自我改進的比例可以隨著時間的推移而變化，這取決於工廠運營商選擇的目標。增加的裝置增加了製造下一輪裝置並進一步改進的能力。隨著您新增更多裝置，產量會增加。因此，如果將相當一部分產能用於改進，那麼總產能就可以呈指數級增長。這個想法很重要，因為文明面臨著許多隻有透過大規模解決方案才能解決的大規模問題。呈指數級增長的系統可以提供必要的規模。
本章（1.0）介紹了一些問題，如何使用系統工程方法開發解決方案，以及我們將稍後詳細介紹的一些自我改進設計的示例。
第 2 章回顧了自然界和人類文明中自我改進的歷史，以及這些如何導致我們面臨的問題。然後我們考察自我改進作為一種理念。它與進步和經濟發展等其他理念密切相關。更近一些，自我複製系統等理念以及計算機和自動化等技術導致了種子工廠作為自我改進的一個例項的概念。這仍然是一個相當新的方法，因此第 2 章以我們尚未了解的內容和進一步研究的領域結束。
如果新系統要解決當前問題，而不是作為結果製造新的問題，則需要在構建和執行它們之前仔細規劃和設計。工程學已經是一個成熟的領域，因此我們不會涵蓋所有已有的內容。相反，接下來的兩章將從技術工程的角度涵蓋我們方法中的新內容。
第 3 章介紹了在設計過程中要包含的新設計元素。這包括種子工廠理念的現狀、構成它的各個部分以及系統設計的參考架構。
第 4 章討論了設計過程本身。一個不斷增長和改進的系統很複雜。因此，我們應用了“系統工程”方法，該方法是專門為處理此類複雜專案而開發的。一個完整的系統不僅僅包括工廠裝置，但如果它旨在增長和自我改進，它將使用許多生產過程和裝置型別。因此，我們提供了一個包含許多可用選項的參考列表，作為設計過程的輸入。
第 5 章到第 8 章是一系列地球上使用的設計示例。這個系列的聯絡在於，一個示例可以發展成為或產生以後示例的起始集。這些示例旨在展示如何開發設計，並作為構建和執行它們的參考。
本卷的最後一章（9.0）是一組過於新穎或不適合主要討論的筆記。它也充當我們專案資料庫的一部分。
與地球相比，空間的環境、資源和距離截然不同。此外，太空中的物體都處於相對運動中。因此，第二卷從適用於太空專案的相關科學和工程方法開始。然後，我們繼續進行一系列針對各個太空地點的設計示例。對於每個地點，我們涵蓋了將影響系統設計的當地條件和資源。
太空專案通常按從最近到最遠以及從容易到難的順序排列。最近的優先，因為第一批人和裝置必須來自地球。隨後更難的地區將依次獲得來自地球和先前太空專案的支援。
這些是面向工程學的書籍。一般而言，工程學涉及將知識應用於有用的目的，例如滿足人們的需求、解決問題或改善生活。如果種子工廠不僅僅是一個有趣的想法，那麼應該以這些有用的目的為目標來開發它們。在這裡，我們確定了文明當前和未來面臨的一些問題。這絕不是一份完整清單。相反，它們是我們認為值得解決的問題，可以透過技術解決方案來解決。這些書中的想法和方法可以與這些問題一起應用。
- 發展不足
許多人居住的地方，相對於像大型高收入城市這樣的高度發達地區，文明的文物和系統以及它們帶來的好處要少得多。即使是在最發達地區，也很難找到對當前狀況完全滿意的人。他們通常可以列出許多他們想改進的事情，如果他們有更多的時間、金錢或其他資源。對改進的渴望並不少見。缺乏的是實現這些改進的手段。這在困難或惡劣的環境中尤其如此，在這些環境中，額外所需的工作使其幾乎或完全未得到發展。
除了發展不平衡外，即使是最發達地區也存在資源分配不均。那些擁有最少資源的人過著不穩定的生活，任何不利事件都會嚴重影響他們的生活。因此，除了總體發展之外，我們還希望提供備用系統、儲備和其他緩衝，以抵禦不利事件。
- 惡化的環境
健康的環境是我們在地球上生存的必要條件。但是，我們當前文明的副作用導致了惡化。可能最緊迫的環境問題是二氧化碳 (CO2) 過量導致氣候變化。其他問題包括森林砍伐、荒漠化、物種滅絕以及各種汙染，例如空氣中的顆粒物和微塑膠。在未來，我們希望最大程度地減少、消除或扭轉這些副作用以及它們造成的惡化變化。
- 技術性失業
近幾個世紀以來，人工勞動力被動力裝置取代的速度越來越快。這導致了從農業（曾經是人們的主要活動）轉向製造業和服務業。持續改進減少了製造業勞動力，以至於服務業現在已成為發達地區的主要活動。自 20 世紀中葉以來，自動化、機器人技術、軟體和人工智慧等技術使“智慧工具”成為可能。這些工具越來越能夠獨立工作，取代了大部分剩餘勞動力。
我們現代的經濟體系建立在人們用自己的專業技能換取金錢，然後用金錢購買他們需要和想要的其他東西的基礎上。如果大多數勞動力可以被更智慧的工具所取代，我們就會面臨技術性失業的問題。失業者將無法再購買他們需要的東西，而仍然有工作的人會失去他們作為客戶。以工作換取金錢，再用金錢換取其他商品的體系就會崩潰。
這還不是一個嚴重的問題。縱觀歷史，從一種工作中被取代的人們總能找到其他事情做。但是，近年來智慧工具的進步威脅到在短時間內取代運輸、配送和零售等領域的許多工作。被取代的工人可能無法在其他領域找到新的工作。在這些潛在問題變得嚴重並導致大規模失業之前，值得思考如何應對這些問題。
我們的文明，以及組成它的各個部分，都是非常複雜的系統。20 世紀發展了一種稱為系統工程的方法來處理此類系統。我們建議使用它來解決上述問題。系統方法首先定義一個或多個系統旨在滿足的未滿足需求。對於現有系統，這是指需要進行哪些改變。在考慮任何設計或解決方案之前，首先要確定想要什麼。在說明問題之前就想到答案，會導致過早地限制對所有選項的考慮。目標也不應該侷限於現在認為可能實現的目標。部分地實現目標，並確定實現剩餘目標所需的哪些研究或改進，比限制我們的目標並止步不前更好。
我們上面已經以一般的方式確定了一些問題。為了採用系統方法，我們需要更精確地說明我們想要什麼。這樣，我們就可以衡量提出的設計或解決方案在多大程度上滿足了目標，哪些更好，哪些更差，以及改進的方向。我們將從這裡開始這個過程，並在後面的章節中繼續。由於文明已經存在，這些陳述是關於變化的。目標陳述（以粗體顯示）後面是一些解釋。
- (1) 在充分了解其選擇的情況下，將文明中較不發達的部分提升到 [待定] 水平的滿意度，並透過 [待定] 提高發達地區的滿意度，並提供應對不利事件的手段。 - 待定表示“待確定”。我們還沒有定義如何衡量滿意度水平。我們知道我們想要某種衡量方法，因此我們使用 [待定] 作為佔位符，以便在以後的工作中填充。大量人口缺乏教育和資訊，不知道如果他們擁有這些知識，他們會想要什麼。向他們提供這些知識，以便他們可以做出選擇，是目標的一部分。如果發生不好的事情，對現狀的滿意度是不夠的，因此我們也希望能夠應對逆境。
- (2) 透過 [待定] 百分比逆轉人為環境問題，同時儘量減少副作用。在最大程度上，還要儘量減少自然風險。 - 所有人類活動都會產生副作用，因此我們永遠無法完全消除它們。因此，目標是儘量減少副作用，並使其危害性降低。自然界也存在許多危害，例如颶風和地震。我們也無法消除這些危害，但可以減少它們造成的損失。
- (3) 避免或儘量減少未來的問題，例如技術性失業。 - 由於自動化導致的永久性失業是我們已經識別的其中一個問題。可能還有其他一些問題我們想要提前處理。目標的一部分是識別這些問題。
“系統”是指任何相互作用並與外部世界相互作用的元素集合，並執行一些可識別的功能或轉換。例如，計算機系統允許您在華夏公益教科書上閱讀本文件。它包含電源、半導體晶片和軟體等元素，這些元素協同工作。它與您作為讀者和網際網路互動，以訪問此頁面。如果您正在編輯此頁面，您將把它從一個版本轉換為另一個版本。
我們定義系統是為了幫助理解、分析、設計和改進，以及幫助實現預期目標。每個系統都有一個邊界。這是一個心理上的構建，而不是牆或圍欄。它將系統與系統外部的東西隔離開來。一般來說，系統的各個部分以某種方式相互關聯，並執行可識別的功能。有時系統邊界是自然而然的，例如飛機與飛機外部的一切。其他時候，系統邊界及其內容是任意的，並且分佈在多個部分和多個地方。定義它們仍然可以幫助完成專案。
各種各樣的東西可以穿過系統邊界，從而進入或離開系統。例如，一個工廠系統可以將原材料和電力作為輸入，並將成品和各種廢物作為輸出。物理學告訴我們物質和能量不會自發地出現或消失，只會改變形式。因此，在數學上，系統內容的變化等於進入系統的流量減去離開系統的流量。
系統可以是任何形狀或大小，並且可以包含其他更小的系統。較大的系統內的較小系統稱為“子系統”，這些子系統可以反過來包含更小的子系統，直至任意深度。人類思維無法理解大型複雜系統的全部內容。因此，系統工程中的一個關鍵方法是將大型系統分解成更小的子系統和子子系統，直到它們足夠小和足夠簡單，以便理解、設計、構建等。每個級別的流量仍然必須等於子系統內容的變化，因此簡單的簿記可以確保在整個系統中沒有遺漏或丟失任何東西。
在確定問題和設定目標之後，下一步是開始確定可以滿足這些目標的潛在解決方案。在開始時，我們不知道哪種方法是最好的。因此，通常會提出或制定多個候選方案。隨著時間的推移，這些方案中的大多數將被淘汰和最佳化，直到剩下一個或幾個最佳選項。在做出最終選擇之前，可能需要進行研究和測試。該過程的詳細資訊將在第 4 節中更詳細地介紹。
這些書籍的前提是，種子工廠和自我改進系統可以成為解決上述問題的部分解決方案。然而，這需要得到證明，而不僅僅是假設。我們呈現和分析的示例將有助於實現這一點，但它們需要投入實際應用，並證明它們按預期工作。
自我改進是一個設計特性。它本身並不是一個完整的解決方案。系統設計還必須包含和借鑑工業技術、其他工程學領域以及我們積累的人類知識的其他部分的經驗。這些其他主題將在適當的地方被引用和包含。
第 5 章到第 8 章描述了四種類型的自我改進生產系統。每個系統都旨在幫助解決上述問題並實現上述目標。我們透過在設計中採用特定的方法和功能來實現這一點。
第一個問題是，在現代人工製品和系統方面發展不足。原則上，可以透過生產和交付所需物品來解決這個問題。但這會帶來幾個次要問題。低收入地區的居民可能沒有足夠的資金來支付這些物品。即使這些物品是捐贈的，他們也可能沒有操作和維護這些物品的技能和經驗。解決這兩個次要問題的辦法是從種子工廠啟動套件和他們自己的勞動中啟動他們自己的生產。如果他們自己建造工廠，他們需要的資金就會更少，他們就可以製造他們想要的其他成品。在建造工廠和製造產品的過程中獲得的經驗，將使他們能夠在以後操作和維護這些工廠。
在更發達的地區，仍然普遍缺乏時間、資金或資源來進行改進和提高滿意度。我們對此的解決方法是使用高水平智慧工具的自我改進系統。啟動套件需要更少的資金，智慧工具需要更少的時間來操作，生產系統可以自己生產能量並獲取物質資源。由於需要更高的複雜性和技能，這些系統很可能被開發為涉及許多人的合作專案。
第二個問題是來自環境破壞和自然事件的風險。解決這個問題的開始是關於這些風險以及如何減少這些風險的教育。新的系統可以設計為包含可再生能源，避免或回收廢物，減少汙染，並維護自然棲息地。這些設計特徵將被包含在成品和製造這些產品的生產系統中。
第三個問題是在問題變得緊急之前解決未來的問題。一項早期任務是確定除了我們已經識別的技術性失業之外，可能出現哪些問題。然後，系統方法將被用來識別解決方案或預防措施，並將它們納入系統設計中。失業問題可以透過我們示例中的生產系統來解決。他們的所有者建造者直接獲得他們產出的部分，無論這些系統自動化程度如何，或者操作這些系統需要多少勞動力。換句話說，生產系統為他們的所有者工作，因此所有者不必工作，或者可以減少工作量。
這四個例子形成了一系列相互關聯的專案。貫穿這一系列專案的一種方式是透過進化。足夠的改進和增長可以將一個例子轉化為下一個例子。另一種方式是為之後的例子建立新的種子工廠。新的種子工廠的各個部分可以由成熟的先前工廠生產。之後的例子也可以透過從其他地方提供裝置或透過內部和外部資源的混合來全新開始。無論它們如何開始，早期專案的經驗及其增長路徑都可以應用於之後的專案。
這些示例系統是
- 個人生產（第五章）
該例子的目標是為當地擁有者/運營商社群生產一系列基本產品，例如食物、建築材料和公用事業。它被稱為個人生產，因為他們為自身和社群中的其他人制造產品。它不像個人電腦那樣只有一個擁有者。它始於一個對共同工作和傳統車間工具感興趣的人員網路。最初，生產處於業餘愛好和家用規模。這使得早期成本保持在可控範圍內。在此基礎上，他們逐漸新增一組種子機器。組合後的機器部分用於製造更多裝置，以及基本產品。
後來的裝置在尺寸上進行了擴充套件，以增加產量，並且更加多樣化，以增加產品範圍。裝置最終變得太大而無法由個人存放，而且個人也無力單獨負擔其費用。更廣泛的產品範圍也變得過於複雜，以至於一個人無法掌握所有必要的技能。解決方案是建造或獲取更大、更專門的生產場所，並擁有具有不同技能的多個擁有者，他們共同努力製造所需的東西。
共同工作的兩種方法是分散式和集中式。在分散式方法中，每個人擁有一個或幾個裝置。然後根據需要將生產請求分配給人員及其裝置，他們各自執行其部分工作來製造產品。在這種方法中，需要一些方法來解決滿足彼此需求的資源和成本。在集中式方法中，裝置位於一個或幾個較大的地方，並擁有共同所有權。混合方法也是可能的，部分分散式，部分集中式。
當生產超出個人需求時，該網路可以開始像商業車間一樣運作，除了為當地社群生產物品之外，還可以為外部客戶生產物品。在業餘愛好和家用規模下，參與主要是非全職的，擁有者的主要支援來自傳統工作。隨著生產發展到商業水平，一些人可以過渡到全職自僱，並且他們的大部分物質需求都可以在網路內部得到滿足。
- “Makernet”（第六章）
我們將地點定義為一個足夠小的區域，人們可以輕鬆地前往現場工作，並相互交換產品。例如，一個美國大都市地區。在個人生產的例子中，一個地點可以包含多個家庭和專用場所，在那裡進行工作。由於現代通訊是全球性的，因此共同工作和交換物品的人員網路不必侷限於一個地點。因此，我們的第二個例子將分散式方法擴充套件到世界不同地區的多個地點。
然後，生產地點成為透過網際網路等方式進行通訊的網路節點。我們稱之為“Makernet”，因為該網路集體制造東西。擁有者/運營商和客戶可以透過任何可用方法相互通訊，包括電子方式。智慧生產機器也可以直接相互通訊，或由人員和軟體遠端控制。
長距離運輸實物物品會涉及大量的成本、能源和時間。因此，Makernet 生產往往會集中在質量與重量之比較高的物品上。在高階，新機器和產品的電子設計檔案沒有質量，並且可以低成本地傳送到任何地方。它們非常適合全球網路。而在相反的端點，用於建築的碎石很重而且便宜。它往往侷限於靠近採石場的單一地點，而不是長距離運輸。
在一個完善的 Makernet 中，客戶可以透過網站向網路提交產品訂單。然後將生產請求路由到各個網路節點，這些節點提供材料、製造零件以及執行其他必要步驟。完成每個步驟後，付款將路由到該節點。最終，成品將交付給客戶。生產節點可以包含任意數量的機器和流程。由於新機器可以由已有的節點集體制造，因此理論上一個種子工廠啟動套件可以隨著時間的推移擴充套件到世界各地。
對於節點運營商來說，現代通訊使人們能夠從實際裝置遠端工作。這在通勤成本和工作時間和地點的靈活性方面具有潛在優勢。個人生產的例子是位於單個地點的當地社群。因此，很多互動可以透過面對面或語音進行。Makernet 方法強調軟體和網路，人們在他們選擇的時間做事情，而不是在傳統工廠的上班時間表中做事情。新的啟動套件往往會針對尺寸和重量進行最佳化，以便它們可以以合理的價格運輸更遠距離。
- 工業生產（第七章）
該例子的目標是大規模生產更專門的產品，非常類似於傳統工廠。它始於規模較小的商業網路，如前面的例子，或者專門設計用於擴充套件到工業規模的啟動套件。無論哪種情況，透過自我擴充套件來增長都應該是達到所需生產能力的一種更便宜的方式。在一個版本中，啟動套件是移動的，並且用作建築裝置。它們被帶到新的工業現場並開始製造零件和裝置。一旦新工廠達到足夠的產能，種子工廠元件就會繼續進行下一個專案。在另一個版本中，一個商業規模的網路在原地增長到更大的工業規模。
單個工業現場朝著規模和效率而不是輸出多樣性發展。部分原因是，將所有大型裝置和運營都放在一個地方變得越來越困難。啟動套件和小規模生產有利於製造產品的靈活性，但以效率較低為代價。在工業規模下，單個機器可以針對其特定任務進行最佳化。然後更容易自動化，因為它們各自執行的操作較少。
工業規模的場地仍然可以作為網路運作，並根據需要相互制造產品。但是，更大的規模產量遠遠超過了原始所有者的需求，甚至超過了特定地點的一般需求。然後，他們可以直接向更廣泛的市場出售產品。他們還可以向那些沒有參與現場運營的人出售生產份額。生產份額使人們有權獲得製造產品的份額，要麼無需進一步支付，要麼只需支付原材料等投入的費用。例如，一家大型自動化農場，其股東可以獲得生產的一部分食物。如果內部資金不足，工業規模的場地可以使用資本市場透過傳統工廠融資。
- 偏遠和艱苦地區（第八章）
這本書的最後一個例子是在偏遠地區或環境條件惡劣或極端的地區進行生產。在這些地方，自擴充套件系統的優勢在於不必將所有基礎設施都帶到那裡。相反，你帶一個啟動套件，並在當地生產大部分其餘的東西。地球上偏遠和艱苦地區的例子包括沙漠、極地地區和海洋表面。更極端的地區包括高海拔地區、冰蓋、地下深處或水下。目前的文明主要佔據了地球表面約 13% 的範圍內 30 米以下的薄層。將其水平擴充套件到剩餘區域，以及垂直擴充套件到前幾米之外，將極大地增加可用空間和資源。實現這一目標的關鍵是可負擔性，而自擴充套件系統可以幫助提供可負擔性。
地點越艱苦、越偏遠，將所有東西運輸到那裡的成本就越高，使用小型啟動套件並在當地建造的激勵就越大。高度自動化和生產力可以使人們能夠在這些地方生活和工作，因為它們提供了所需的基礎設施和資源。遠端控制操作使人們能夠在不必住在那裡的情況下增加產能。例如，撒哈拉沙漠可能是製造太陽能電池板的好地方，因為有充足的陽光和沙子作為投入。但人們可能不想在那裡常住。遠端工作可以讓人們做出這種選擇。相反，如果技術使人們能夠生活在偏遠地區，對某些人來說這可能是可取的。由於其他人不住在那裡，土地將很便宜。它可能是風景優美，或者擁有人們喜歡的其他特徵。
- 太空（第二卷）
最偏遠、最艱苦的地方是地球之外的太空區域。同步軌道，即許多衛星執行的地方，是地球上任何兩個點之間的距離的兩倍，而已知的太陽系軌道最遠距離是其十倍。太空環境對人和生物來說存在一些艱苦或不利的條件。這包括缺乏可呼吸的空氣和水，輻射水平高，重力低。另一方面，太空蘊藏著大量的未開發能源和物質資源。如果種子工廠和自擴充套件生產能夠幫助利用這些資源，那麼對文明的潛在收益將是巨大的。
由於條件如此不同，並且涉及不同的工程專業和設計，我們將關於它們示例的討論保留在關於太空系統工程的第二卷中。太空的例子與地球的先前例子在以下幾個方面相關聯。首先，工業，在某些情況下是偏遠和艱苦地區，是進行太空運輸和執行所必需的。其次，用於太空的第一個種子工廠必須在地球上設計和建造，並且它們的一些執行可以從地球上進行遠端控制。
- 概念設計筆記（第九章）
本卷的最後一部分是收集了一些材料，這些材料（a）太新或組織得不夠好，不適合主文，或（b）太詳細，會打斷討論的流程。我們在這些書中提出的想法正在不斷完善，因此最後一部分也作為一種“工程師筆記本”，用於記錄這項工作。在過去，這類筆記本是裝訂成冊的紙張或檔案資料夾中的頁面。較大的草圖和圖紙儲存在抽屜或卷軸中。只有少數人可以訪問它們並進行協作。現代方法是共享電子資料庫，每個人都可以訪問所有內容。我們的工作是開源的，我們鼓勵協作。因此，第 9 節中的筆記構成了我們資料庫的一部分。不適合維基媒體格式的材料將儲存在其他地方，並從該部分以及兩卷的其他部分連結到該材料。