9.0 註釋 (第 10 頁)

從太空運輸華夏公益教科書中遷移的註釋

工廠產出可以分為內部生產，即生產工廠自身使用的零件，和外部生產，即生產用於其他專案或銷售的零件。

種子工廠無法生產 100% 的自身零件，尤其是在初期。但只要它能夠生產一部分零件，它就能降低你想完成的最終工廠產能和後續專案的啟動和後期生產成本。例如，假設種子工廠的規模是最終工廠的 10%，最初能夠生產 60% 的擴充套件所需零件，然後在達到完全規模後能夠生產 90% 的零件。那麼，總投資將比直接建造最終工廠低約 75%。即使沒有後續的太空專案，這已足以成為發展種子工廠的理由。該技術還將使太空專案成本降低，因為目前太空中沒有生產能力。從種子工廠進行自我擴充套件和本地生產，將減少從地球運輸的物資數量，從而降低任何大型太空專案的啟動成本。

概念歷史

自我擴充套件和分散式種子工廠與複製工廠相關，但並不相同。後者能夠生產其所有零件（100% 閉合），對這類工廠的研究通常認為它們是完全自動化的，並且位於單個位置，而不是直接人工/遠端控制/自動化和多個位置的混合。不斷增長的種子工廠可能會隨著時間的推移而達到 100% 閉合，但並不假設一開始就那樣。大多數複製研究假設從一開始就 100% 閉合。

種子工廠的概念與工業發展相關，工業發展與欠發達國家或國家內部的區域有關，但它透過包括太空在內，在位置上更為普遍。

在過去幾十年裡，自動化和機器人技術總體上獲得了大量研究和開發，計算機處理器和網路速度也顯著提高。自我擴充套件和分散式操作受到的關注較少。最近的愛好者/低成本數控機床有時設計時會考慮生產一些自身零件。據悉，尚未對本節所述種子概念進行全面的系統分析和最佳化。一些相關工作包括

NASA 研究 - 1980 年代初期的研討會，先進的太空任務自動化，，其報告最初以平裝本出版，現在可在維基文庫和 NASA上找到，對複製系統進行了廣泛的研究。該報告自此基本上被遺忘，原因如下：（1）NASA 沒有改善地球製造的授權。僅僅專注於太空任務忽略了地球上的應用。（2）估計的控制系統計算機需求（表 5.1 - 2GB 記憶體，35GB 儲存）遠超 1980 年的技術水平。（3）參考月球工廠概念是一個完整系統，作為單個單元交付，估計質量為 100 噸，而不是能力的增量構建。這意味著需要大量有效載荷運送到月球。在 2012 年，計算機需求非常適度，而陸地應用和增量構建使其更加可行。

KSRM 書籍 - Freitas 和 Merkle 於 2004 年出版的一本書，運動學自複製機器，對複製系統的文獻進行了詳盡的回顧。儘管複製與從種子開始不同，但這些想法足夠接近，使其成為有用的參考資料

開源專案 - 開源生態是一個正在進行的專案，旨在開發“文明啟動工具包”，最終將包含 50 臺機器，這些機器共同能夠生產大多數自身元件，並加上足夠的農田和勞動力，滿足大多數人類需求。一個積極方面是，他們正在構建和測試實際硬體，這比大多數閉環或複製工廠研究做得更多。一個負面方面是，該專案採用了“隨機”方法，列出了大量機器，希望它們能夠作為一個整體發揮作用。沒有證據表明對這些機器是否是正確的機器，或以何種順序或規模建造它們進行了可靠的分析。相反，OSE 專案的創始人需要一臺拖拉機，因此首先構建了拖拉機，然後圍繞它構建了車間和一系列其他機器。

NASA ISRU 開發 - 美國宇航局 NASA 擁有一個就地資源利用 (ISRU) 技術開發計劃。該計劃旨在利用太空中的材料和能量來支援其任務。因此，它涉及推進劑提取等工業元素，但它純粹專注於太空任務，而不是地球上可以做的事情。它也傾向於關注單個專案，而不是整合的增長路徑。儘管如此，技術開發對於它在單個元素上所做的研究仍然是有用的，這些單個元素可以用於更完整的系統。

當前問題

由於種子工廠的概念尚新，尚未完全發展，因此存在一些開放性問題，可能需要透過更多研究來解決。這些問題包括

• 啟動工具包的複雜性、物理規模、初始成本和增長率之間的關係。
• 提高閉合率和改進自動化與人工勞動比例的最佳方法。
• 陸地或太空位置如何影響啟動工具包和增長路徑的選擇。
• 包含單用途最終產品裝置與更通用裝置。
• 生產在內部增長和用於最終用途或銷售的產出之間的劃分。

我們已經開始了一個[設計研究]，以開始考慮這些問題。截至 2012 年 7 月 15 日，該研究僅完成了約 20%。

先進製造應用

先進製造概念可以應用於任何地方，但我們列出了幾個特定示例，這些示例按照邏輯順序排列。

種子工廠實驗室

自動化和網際網路等技術並非新鮮事物，並且一直在不斷改進。建立在現有技術的基礎上，例如自動化和網際網路，種子工廠原型實驗室將完成幾項工作。透過專門針對自我擴充套件和分散式操作進行設計，我們將發現哪些軟體和硬體元素缺失或需要更改。實際構建和執行原型將產生缺失的和修改後的元素，然後演示實際效能和優勢。可以根據方便的地方構建初始原型。一個相對較小的專案應該能夠在縮小規模的情況下完成初始原型設計，因為它建立在現有的工業技術基礎上。

不太可能在第一次嘗試中就找到理想的“通用種子”，而且也可能永遠找不到，因為不同的位置和最終產品需要不同的起點。總體技術的進步也會隨著時間的推移而影響最佳答案。相反，更可能出現一系列原型元件，並且隨著持續的研究和開發而不斷出現。然後，這些元件將以不同的方式組裝起來，構成完整的工廠。將積累有關如何設計、構建和執行這類系統的知識和經驗。

在容易的位置建立初始原型後，可以在更難的位置建造更先進的原型，例如地球上最乾燥的地方，智利北部的阿塔卡馬沙漠，反之，也可以在非常潮溼的位置建造。這既可以是高降雨量地區，也可以是在海洋上。如果原型能在這些極端條件下工作，那麼它應該能在介於兩者之間的任何條件下工作。可以對溫度、海拔和其他變數進行類似的測試。第一個原型可用於生產這些更高階版本所需的元件，證明了其增長和擴充套件的能力。

陸地位置

一旦證明自我擴充套件和分散式操作原則適用於地球上的偏遠、惡劣或未開發地區，就可以在更大的規模上以數量和規模實施這些原則。可能的位置包括

• 熱沙漠和冷沙漠 - 沙漠的定義是缺乏降水，除了熱沙漠之外，還有許多地區由於太冷而無法使水蒸氣產生大量降雪或降雨。
• 海洋 - 海洋缺乏淡水和堅固的建造場所，覆蓋了地球表面的大部分地區。沙漠和海洋合計佔地球表面的 80% 左右。
• 欠發達地區 - 在地球剩餘的 20% 的區域中，很大一部分是未開發的，因此，將自我擴充套件系統帶到這些地區可以幫助改善那裡的條件。不需要太多基礎設施、人口或外部供應的系統可以設計得更符合生態，並跳過中間發展階段。因此，地球表面的絕大部分都可能從這些技術中受益。

太空位置

如前所述，太空是應用這些原則的理想位置，但我們將把詳細資訊留給整個組合系統的後續步驟。如果在進行原型和陸地版本時牢記以後將它們用於太空的目標，那麼過渡將更容易。例如，遠端控制系統應該允許在通訊時有較長的延時，因為太空中的距離會造成這種延時。

設計最佳化

出於設計和最佳化目的，我們定義了幾種型別的度量，以幫助比較不同的高階製造方法

緊湊性

地球上的總工業能力，作為一個整體，生產它自己的所有零件。事實上，它從無到有建立起來，人類勞動力是其輸入。但用所有可能的機器來建造一個啟動工廠，或者將地球上的所有工業發射到太空，這都是不可行的。因此，問題是

• 什麼是能夠生產最多自身零件和外部剩餘產品的最小啟動套件？
• 哪些元件機器能夠以最少的額外外部輸入將其自身引導到更大、更多樣化的能力？
• 以什麼順序新增新裝置和功能？

沒有一般要求將種子工廠包裝成一個作為單元交付的單一物品，而該單元永遠不會新增。從一個基本功能作為啟動套件開始，然後分階段新增，這將擴大產出範圍，這更有意義。這些擴充套件套件將提供無法在內部製造的零件。它們將與內部生產相結合，以製造新的機器或功能。啟動套件和擴充套件套件的組合構成了整個種子工廠，但您可以將後面的套件延遲到真正需要時。從概念上講，這就像一個工具箱或車間，隨著時間的推移，您會向其中新增更多工具。

效率

所有制造業都力求高效，但典型的效率衡量標準（例如有用輸出除以能量輸入）對於我們的目的來說是不夠的。該度量僅檢視特定過程的隔離效率。對於完整的工廠或系統，我們可以使用來自爐子的廢熱，例如，用來加熱建築物或乾燥材料。只有熵值如此高的能量，你無法從中提取更多功，才是系統層面的浪費。

除了能量之外，我們還必須關注質量流。廢物是那些無法用於其他目的的材料。例如，機床產生的金屬屑可以加工回庫存以備後用，從這種意義上說，它們不是廢物。真正的廢物是指無法再加工或洩漏到環境中的材料。在質量流中還要計算獨特的外部輸入，例如機床用的硬質合金刀具，如果你無法自己製造的話。那麼質量效率指標就是（有用輸出質量）/（總質量流）。

生產力是（輸出）/（使用的人力或資本裝置量）形式的效率衡量標準。全球系統生產力將資本專案轉換為生產和組裝這些專案的等效勞動力。這對製造系統很有意義，因為你製造了你自己的大部分裝置，勞動力是主要的外部投入。那麼生產力就是（總產出）/（直接生產勞動力 + 等效資本專案勞動力）。

靈活性

我們事先不知道工廠增長和產出型別的所有未來需求。因此，我們更喜歡一種能夠改變的設計，而不是一種固定的設計。有幾種方法可以實現這一點

模組化 - 如果我們為給定工廠的輸出設計一臺機器，而需求發生變化，無論是上升還是下降，我們最終都會遇到產能浪費或需要購買另一臺會浪費一部分產能的機器。將輸出分成更小的模組化單元，可以讓你從更少的總資本開始，然後更緊密地擴充套件或收縮輸出以適應實際需求。對於某些操作，更大規模在執行時效率更高，因此需要權衡模組化程度與效率，才能獲得最佳尺寸。

標準介面和協議 - 聽起來可能很矛盾，但標準介面可以使事情更靈活。電源插座是標準化的，但它們允許在任何位置插入幾乎任何裝置。除了公用設施連線外，標準物理尺寸和工廠尺寸網格允許將物品放置在任何位置，並且它們仍然可以適合。例如，如果網格單元是 1 米，那麼機器、儲存和過道就會根據 1 米的倍數分配空間。為了能夠處理不同尺寸的物體，網格可以具有大約為 2 的冪的間距（1、1.5、2、3、4 等），這些間距仍然可以組合在一起而不會浪費空間。使用標準軟體和通訊，相同的裝置可以由遠端人員或本地人員操作員互換使用，並且由相同軟體控制的裝置組合可以不斷變化。

目前已經存在連線自動化裝置的標準，例如通用工業協議，以及交換設計資料的標準，例如 STEP (ISO 10303 )，因此無需從頭開始開發標準。一套完整的標準將包括物理專案和資料專案。物理標準包括公用設施（電力、資料、水等）的放置和型別，以便每臺機器都可以“接入”而無需定製設計。相比之下，臺式電腦擴充套件插槽的 PCI 標準就是這種模組化系統。物理、電源和資料聯結器是標準化的，因此任何擴充套件卡都可以安裝在任何匹配型別插槽中。

自動化和機器人 - 工廠自動化是一項眾所周知的技術，但通常它意味著使用自動化機器和機器人來製造最終產品，並輔以一定數量的人工。在這裡，我們設想了一種更高階的版本，它將工廠本身視為產品的一部分。完整的 100% 自動化仍然無法實現，因此，需要一些人工遠端控制或人類直接勞動力，但隨著時間的推移，這一點可以減少。這些型別的機器是可程式設計的，因此你可以選擇製造一個單件零件或透過簡單的軟體更改進行整個生產執行。因此，它們本質上是靈活的。如果工廠裝置位置、儲存和其他專案的設定本身可以自動化，那麼整個工廠就可以根據不斷變化的需求進行配置和調整。自動化和機器人還可以提高生產力，既因為它們比人類更快，也因為它們能夠幾乎 100% 的時間不間斷地執行，不會感到疲倦。

配送網路 - 只要有足夠的頻寬，裝置就可以由遠端人員直接控制作為替代方案。例如，你可能想將一個太陽能電池板工廠建在撒哈拉沙漠，因為它擁有豐富的用於原材料的沙子和用於發電的陽光。透過遠端操作，您的員工不必住在沙漠中，如果他們不想的話。遠端操作目前用於軍事無人機、深海航行器、航天器和某些型別的採礦業，這些地方的環境很危險或支援人類的成本很高。隨著電子裝置和網路頻寬的最新改進，它可以有效地應用於比以前更多的任務。對於未來的太空專案，遠端操作顯然具有擴充套件操作範圍的優勢，從您目前所在的位置擴充套件到新的位置。

結論

自己製造零件可以稱為“閉環”，因為零件的輸出作為輸入迴圈回工廠，用於複製或擴充套件工廠。您可以將閉環度量為（自行製造的質量）/（所需的總質量）的比率。另一個度量是質量回報率，即（總產量）/（工廠質量）。作為質量度量的替代方案，您可以根據成本衡量閉環度。

分析閉環率是一個逐步的過程，從最終產品反向進行。首先，您需要確定生產最終產品所需的機器和工藝。由此，您可以確定哪些裝置尚未到位。對於缺失的裝置，您可以進一步確定可以內部製造多少。最終，您將所有內容追溯到您擁有或可以製造的機器或材料，或者追溯到您無法制造的機器或材料。內部製造與最終產出的比率就是您的閉環率。在進行此類分析時，應考慮將來自一個工藝的廢棄物回收利用到另一個工藝中。

如果您試圖達到 100% 的閉環度，理論上您將達到起始機器的某個極限，這些機器可以製造所有其他機器，包括它們自己。我們知道我們整個工業文明都可以做到這一點，因此至少每個型別的一臺機器的較小子集也應該能夠做到。實際上，一些工藝（例如製造計算機晶片）在小批次生產時非常困難且昂貴。對於這些工藝，自行製造通常在經濟上不划算。以前關於這種閉環生產的少量研究發現，大約 2% 的總物品不適合自行製造，換句話說，閉環度為 98%。儘管如此，不得不購買或進口 2% 仍然比 100% 有很大的改善。

開發計劃

設計一個分散式種子工廠，可能永遠不會以建設家庭工作室或製造企業的方式完成。相反，您會有一個起點，它本身具有生產力，隨著時間的推移，您可以增加更多功能。此外，經驗將教會您更好的做事方法，而世界其他地方的技術一直在不斷改進。因此，與其試圖一次性完成所有工作，不如從簡單的事情開始，併為擴充套件和升級設計。這類似於軟體的增量開發，實際上，聯網和自動化的工廠很大一部分將是軟體。

起點

起點應旨在按質量和成本生產越來越多的自身零件。例如，在地球上，如果您從水泥製造開始，水泥是混凝土中最昂貴的組成部分，您可以按重量為您的建築物提供很大一部分，並大幅降低成本。然後，如果您新增鋼結構製造，您將新增建築物總量的另一個大片段，等等。該設計還應考慮靈活性。這種型別的工廠不太可能批次生產單一物品，而是可能混合生產銷售的物品和為自己製造的新零件，具體取決於工作訂單的時間安排。

在進行設計和原型之前，我們可以猜測陸地入門套件將包括用於加工木材、基本金屬、陶瓷（包括粘土和水泥用於混凝土）、岩石，以及可能包括玻璃和塑膠的機器。此外，還需要某種形式的能源供應，例如基於陽光或生物質的能源供應，以及計算機和通訊來將所有內容連線在一起。這個猜測是基於這些是地球上大多數東西的基本材料。對於太空中的不同條件，幾乎肯定需要不同的入門套件。

實際上有幾種方法可以設計一個起點。一種方法是簡單地假設一個入門套件，例如上一段中的那個，並分析它以確定是否需要新增或刪除專案。另一種方法是從裝置齊全的機械加工車間（參見附錄 2）的機器列表開始，因為機械加工車間通常可以製造任何其他型別機器的零件。從起點開始，我們可以檢視替代方案、最佳化和升級。

對於太空，由於環境不同，起點也將不同。這些方面的先進製造討論將在本組合系統示例的後續部分中介紹：軌道組裝 和 加工廠.

設計流程

與任何其他工程設計一樣，相同的工程過程用於從假設的起點到最終的種子工廠設計。該通用過程在系統工程 及其後的部分中進行了描述。它包括將複雜的設計分解成更簡單的部分，這些部分共同構成整個系統。然後，更簡單的部分更容易設計和最佳化。雖然各種工程方法用於改進設計，但它在傳統的完成設計然後進入生產意義上不會“完成”。一旦它達到足夠好的狀態，就可以構建原型或第一個生產版本，但來自現有版本的其他工作和反饋將隨著時間的推移帶來改進。這更像是常見的軟體開發模型，其中版本 1.0 會隨著時間的推移導致同一基本程式的更高版本。

軟體工具

除了硬體元件外，還需要一套軟體工具。即使硬體部分發生巨大變化，這些工具也不會發生太大變化。其中一些是現有的軟體，而另一些則需要自定義或從頭開始編寫。

• 計算機輔助工程 (CAE) - 用於生成設計 3D 模型的軟體，然後分析其應力、溫度分佈和其他特徵。存在許多此類程式。
• 物質編譯器 - 用於將 CAE 模型轉換為針對目標機器工具和機器人的低階指令的軟體。這類似於軟體編譯器如何將高階程式指令轉換為計算機處理器的機器程式碼。據瞭解，在整個工廠的機器級別上還不存在這種編譯器，儘管針對單個機器存在轉換器。
• 工具驅動程式 - 這些是計算機和工廠中各個機器之間的介面，以便可以傳送命令和檔案來操作機器。
• 增強現實模擬器 - 為虛擬工廠或施工環境提供疊加在真實檢視上的內容，以嘗試遠端控制方法和工廠程式。在模擬器中嘗試事物比“彎曲金屬”然後發現指令錯誤要便宜得多。
• 遠端操作軟體 - 讓人類能夠直接控制遠端位置的機器人和自動化裝置。這應使用與模擬器相同的介面。有些任務將無法自動執行，因此在這個軟體和工廠中的現場人員之間，非自動化任務將得以完成。

種子工廠設計示例

我們查看了地球上的幾個設計示例，以瞭解位置和環境的選擇如何影響入門套件。

溫帶原型工廠

溫帶位置原型假設一個已經開發和人口稠密的地區的典型條件。這包括適度的降雨量和溫度、典型的土壤以及公共基礎設施的可用性。一個最小的入門套件可能包括一個用於零件和材料的儲存區、一臺通用數控機床以及一個機器人，用於將物品從一個地方運送到另一個地方，並使用連線到機器人手臂的多個工具組裝零件，所有這些都由人類或預先計劃的製造檔案遠端控制。一個更全面的套件將擁有更多機床、機器人變體以及在戶外工作的功能。

數控機床

模組化機器人

這是一組模組化元件，可以以各種配置組裝起來，以執行不同的任務。它包括以下一項或多項：

• 固定太陽能電池陣列充電站
• 可更換電池組 - 可以留在充電站並根據需要交換，或透過將機器人停放在充電站上為機器人充電。
• 各種尺寸的底盤，其他專案連線到該底盤
• 用於室內工廠或室外使用的輪式工具包
• 用於乘客使用的座椅工具包
• 用於遠端使用的攝像頭和控制單元
• 帶有各種末端工具的機器人手臂，儲存在工具箱中
• 用於非移動機器人的底座
• 用於貨物的托盤/箱子附件
• 用於材料搬運、穩定器、挖掘機臂等的其他動力附件

海洋原型工廠

高山沙漠原型工廠

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文字仍待合併到上面或其他地方

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我們在每個新地點應用一個通用的發展模型，新增新的功能元素，使內部能夠增長，並隨後在重複迴圈中擴充套件到下一個地點。擴充套件週期從地球上的種子生產元素開始。種子元素透過製造自己的擴充套件裝置來建立生產能力。當足夠強大時，它們開始為下一個地點生產居住、運輸和更多種子元素。隨著更多種子元素的新增和改進，以及擴充套件裝置的製造，各地點可以生產更多產品，並逐步提升生活質量和其他功能。隨著地點的增長，技術開發也在不斷進行，以便實現更高的效能水平。

當生產和技術達到足夠高的水平時，地球上的地點開始生產運輸工具和空間硬體，以在近地軌道建立新地點。隨後進行軌道採礦、新增種子裝置和建造棲息地，最後組裝運輸工具，以建立下一個太空地點，即高地球軌道。這個週期重複，逐漸擴大地點數量，同時現有地點在規模和質量上得到擴充套件。隨著交通量的增長，早期運輸系統將在有意義的時候被更先進的系統取代。一旦建立，各個地點旨在成為永久性的，並在不斷擴充套件的網路中新增新的地點。

通用設計

為了獲得整個計劃的最終設計，我們必須選擇最佳的低階元素，並以最佳方式將它們組合起來。在這一點上，我們只能開始列出需要做出的選擇和做出這些選擇的候選人。本節列出了適用於整個計劃的通用設計選擇。

生產替代方案

新方法與現有方法

生產方面最高級別的問題是選擇現有生產方法和新方法，新方法包括具有自我擴充套件、分散式操作以及可能其他特徵的種子元素。我們將新方法稱為高階製造，並在第 4.2 節中討論它。最初，無法在內部製造的元件必須從外部供應。隨著生產能力在規模和多樣性方面的增長，它可以在內部進行更多生產。目標是透過不需要那麼多的初始投資以及廣泛使用自動化、機器人和遠端操作，大幅降低生產成本。

功能和種子元素

圖 4.1-2 - 高階製造初步流程。

除了選擇現有生產方法與新生產方法之外，接下來就是需要在生產中使用哪些功能以及首選哪些種子元素的問題。地球上的生產範圍非常廣泛，而且很複雜，因此這裡做出的選擇並不明顯。我們至少可以將其確定為需要進一步研究的領域。組織選擇的一種方法是在許多地點需要的功能和特定於特定地點的功能之間進行區分。圖 4.1-2 是用於開發種子工廠的流程圖的早期版本。在做出任何最終選擇之前，將需要更詳細的資訊。

其他問題包括

• 現有技術在多大程度上能夠實現自我擴充套件、回收利用和自動化目標，以及是否需要什麼新技術？
• 種子元素的最佳順序是什麼？初始啟動套件中需要什麼，以及後來添加了哪些專案？
• 生產輸出應如何在內部生產增長、用於該專案的產品和幫助支付成本的外部銷售產品之間分配？
• 生產增長最好是透過複製現有元素、製造它們的更大版本，還是透過新增可以執行新流程的全新元素來實現？
• 與傳統制造相比，引導式方法有多少優勢？

分散式操作

除了自我擴充套件之外，我們還會考慮採用分散式操作模型，而不是傳統的工廠模型。後者假設所有生產要素和工人都在一個地點集中。分散式模型使用遠端操作、自動化和機器人來減少對生產任務發生地點的大量人力需求。這在惡劣環境中變得更加重要，尤其是在當地居住區建立之前。為了選擇現有方法和新方法，必須對新方法有足夠的瞭解才能與現有方法進行比較。

在分散式操作模型中，不需要一切都是分散式的，只需要它是可選的。最佳化的設計可能會將多個元素放置在一個地點，就像傳統的工廠一樣。當這樣的地點包含可以擴充套件生產的種子元素時，我們將其稱為種子工廠。在分散式模型中，種子工廠的位置大多獨立於人員的位置。可以使用現代計算機和通訊進行遠端設計物品和控制裝置。少數人留在當地執行無法遠端完成的任務。種子工廠將首先在地球上使用，在那裡它們會產生收入和增長，並用於建造第一批太空發射系統和有效載荷。利用從地球獲得的經驗，後來的種子工廠被放置在地球軌道和更遠的地方。它們仍然主要是遠端控制的，用於軌道平臺和車輛的建造，以及利用來自太空的當地能源和物質資源。一旦有足夠的生產能力到位，並且棲息地建成，人類可以大量到達。您仍然需要從地球運送專業物品，但大部分物資應來自當地來源。

居住替代方案

運輸替代方案