9.0 註釋 (第 9 頁)

[仍待合併或移動的舊文字]

之前的標題討論了設計方法和經濟優勢。為了有用，種子工廠的概念也應該有實際應用。不同的應用可能需要不同的啟動集和發展路徑。識別和設計這些應用將有助於發現自我擴充套件過程的哪些部分是通用的，哪些部分是特定於給定用途的。目前還沒有建造功能性的種子工廠，因此我們無法像在更有經驗的工程領域那樣指向現有的應用。相反，我們在本書的後面部分介紹了幾個未來的例子。它們將用於展示可能的用途範圍以及為它們準備的設計之間可能存在的差異。開發每個示例的過程也是一個指南，說明如何設計本書未涵蓋的其他應用。

我們目前的例子來自兩個來源。一個是提議的升級地球文明的計劃，並逐步擴充套件到更困難的環境，包括太空中的多個區域。該計劃使用種子工廠作為實現這些目標的核心方法 ( 專案概述，2017)。該計劃假設了一系列自我擴充套件系統。這些從較小且較簡單的系統開始，在發達地區的環境條件良好。早期的系統然後幫助生產用於地球上越來越困難和偏遠地點，以及最終太空中的啟動集。後面的地點從更少或沒有本地開發開始，需要更先進和完整的啟動集。從更容易到更困難的專案的進展允許在嘗試更難的專案之前積累經驗。我們在這本書中討論了在地球上使用的系統，以及在關於太空系統工程的第二本書的第 4 部分中討論了用於太空的系統。

我們例子的另一個來源是為概念探索研究選擇的樣本行業清單的工業規模生產。樣本行業旨在代表從美國人口普查局跟蹤的 2700 個行業中選擇的 50 個行業。研究過程是從他們的產品和生產這些產品所需的裝置開始反向工作。目標是確定通向所需最終點的啟動集和發展路徑。

我們選擇的四個示例在本書後面都有自己的部分，目的是將它們的 conceptual design 進行到我們能夠做到的程度。如果可用，書中討論之外的支援資訊將被連結。這些示例的工作目前尚未完畢。這些示例是

貫穿歷史的另一條線索是以多種形式進行自我提升。農民培育了更好的植物和動物來供應食物，工具製造者使用現有工具來製造更好的工具。知識的傳播從口頭和洞穴壁畫發展到網際網路，使人們更容易提高自己的知識和技能。我們認為，自我提升系統可以解決前一段提到的勞動力流失問題。一個直接滿足人們需求而不是透過以勞動換取金錢來滿足需求的自我提升生產系統可能提供解決方案。這樣一個系統可以使用導致問題出現的相同型別的智慧工具。它為這些工具添加了幾條自我擴充套件路徑：複製、多樣化和擴充套件。這使得系統負擔得起，因為它只需要一個小的子集來啟動，後來會成長到滿足人們需求所需的規模。

本書首先回顧了導致當前經濟體系的自我提升的歷史。然後，我們確定了該系統的經濟問題，包括智慧工具可能導致大規模勞動力流失。過去的嘗試和最近的提案沒有完全解決這些問題。在闡明問題之後，我們然後研究可以從中構建解決方案的相關概念。第三，我們將“種子工廠”確定為一種可以解決問題的自我提升系統。本書的其餘部分及其續篇探討了設計過程、實際應用以及將這些系統納入並通向更美好未來的未來專案。

我們提出了一種新方法，它基於一直以來使用的相同過程，但轉移到所有者運營商及其工具的網路。它們從稱為“種子工廠”的更小、更簡單的啟動集啟動。他們利用自己的勞動和技能來增加工具的多樣性和規模，並升級到功能更強大的工具。這包括根據需要複製現有工具，並最終新增智慧工具。不斷增長的網路用於直接滿足某些需求，併產生可用於交易剩餘需求的盈餘。對於擁有此類系統的業主來說，他們的勞動被智慧工具取代並不是問題，因為他們仍然從生產的產品中受益。這樣一來，工具就可以解決它們自身造成的問題。能夠從啟動集啟動併成長到任何所需規模的系統，不僅僅侷限於解決經濟問題。最後，我們研究了這種方法可以構建更美好未來的其他方式。

第 2 節和第 3 節介紹了有意設計的系統，這些系統可以自行增長和改進。這些系統的一個具體例子是“種子工廠”，它是一套可以製造更多裝置部件的啟動裝置集。不斷增長的裝置集將其部分產出用於有用的成品，其餘部分用於自我增長和改進。如果工廠已經足夠大，可以生產新的啟動集，它就會自我複製並呈指數級增長。足夠多的工廠集合就可以解決一個大問題，比如氣候變化。

自我擴充套件工廠、人類文明及其面臨的問題都是複雜的。工程是將知識應用於實踐目的。一種特殊的工程方法，“系統工程”是為了應對複雜專案而開發的。第 4 節介紹了這種方法以及我們可以用來開發種子工廠及其可以生產的產品的其他工程領域。然後，第一卷的其餘部分展示了在地球上自我擴充套件系統的一系列漸進式應用。這些應用之間的聯絡在於當前工廠可以生產用於後期應用的種子元素。

舊簡介

本書有兩個主要目的。第一個是關於具有高水平自我擴充套件、整合和自動化的生產系統的教科書式的介紹。它們的設計建立在工程學和工業技術領域的現有經驗基礎上。第二個是支援通向可行示例的實際設計。我們探索了幾個這樣的設計概念，並提供了關於如何開發它們的指導。我們邀請合作將這些示例作為開源專案進行工作，目標是構建功能齊全的機器和完整的系統。

什麼是種子工廠？

種子工廠是一套工具和機器，它專門設計為透過製造更多裝置來發展自己。這除了任何工廠的一般目的，即製造有用的產品。這種發展可以針對更大的成熟生產能力或製造啟動集的副本。它也可以是開放式的，沒有設定的增長目標，或者這些增長路徑的某種組合。增長的方向，因此啟動集的構成，由系統的所有者設定。啟動集通常包括一些傳統的車間工具和裝置，最好包括一些靈活的自動化機器。它還包括製造更多裝置的計劃和說明。在最便攜的形式中，“種子”只包含計劃和說明。然後，工廠建造者可以從當地可用的零件、材料和裝置開始引導建設。

在當前的技術狀態下，一套工具和機器無法自行執行或發展。他們需要擁有合適技能的人來使用它們。在大多數情況下，他們還需要土地、金錢、能源、材料和零件的起始庫存。隨著該套裝置的增長，它可能會需要更多這些，並可能新增一些完整的裝置專案。因此，我們區分了裸工廠，它是一組工具和裝置，以及完整的自我擴充套件系統，它包含裸工廠以及執行和發展所需的所有其他東西。

隨著生產能力的提高，以及自動化水平的提高，相對於而言，將需要更少的人力和外部供應。更大的機器通常可以為相同數量的人員執行生產更多輸出，而自動化減少了所需的人員數量。更廣泛的機器集合可以處理更多型別的材料並在內部生產更多型別的零件，因此需要從其他地方提供的此類材料更少。如果生產輸出增長速度快於技術改進減少對它們的需求，那麼人員和供應的絕對數量可能仍然會增加。

為了使自我擴充套件系統可持續，我們更希望使用當地的可再生能源和原材料作為投入，並納入高水平的回收利用。外部供應與本地和回收投入的比例會隨著時間的推移而變化，因為生產系統會不斷發展。總體趨勢是朝著更大、更多樣化的裝置和流程、更高的自動化和自我生產水平、對外部供應的需求減少以及這些供應更接近原材料而不是成品的方向發展。不斷擴充套件的工廠還透過為自己製造替換物品來提供自我維護。

工廠的總產量分為用於自我維護和增長的專案，以及用於其他目的而在其他地方使用的成品。成品的比例可以從 0%（所有輸出都用於維護和增長）到 100%（即所有成品，沒有增長）不等。成品的比例會隨著時間的推移而變化。從歷史上看，大多數工廠的運營接近或達到 100% 的有用產品，幾乎沒有或沒有產出用於自我擴充套件。用於自我擴充套件的產出百分比較高，在相當長的時間內，將自我擴充套件系統與其他型別的生產區分開來。

在物理上，裝置及其操作人員可以位於一個地方或多個地方，由一個或多個所有者擁有。無論其位置和所有權如何，操作員及其裝置都進行通訊並傳遞輸入和輸出，以便作為一個協調的整體執行。從歷史上看，工廠將裝置和工人集中在一個地方，因為這是唯一有效的運營方式。隨著現代通訊和電子技術的出現，這不再是絕對的要求。裝置及其操作員可以分佈得更廣，同時仍然協調工作。當然，將某些裝置集中在一起仍然會存在技術優勢，但不一定需要將所有裝置都集中在一起。因此，在本書中，當我們說“工廠”時，我們不是指傳統意義上的帶有煙囪的單一建築。我們指的是一個朝著共同目標運作的生產系統，無論其物理排列方式如何。

（1）為自我擴充套件而設計的起始套件、（2）規模、複雜性、輸出範圍和自動化程度方面的廣泛增長、以及（3）大量使用當地材料、可再生能源和回收的特定組合是新的。因此，我們採用 **種子工廠** 作為這種方法的名稱。選擇此名稱是為了顯示與生物學（種子生長並自我複製）和更傳統的工廠之間的關係。種子工廠是更通用的自我擴充套件系統類別的一個成員。由於這是一種新的方法，因此目前還沒有完整的的設計或功能示例。然而，種子工廠方法的各個部分並不新鮮。

書籍組織

與種子工廠方法相關的各種想法，以及與一般自我擴充套件系統相關的想法，都有其自身的歷史。製造工具和其他有用物品的歷史甚至更悠久，遠早於人類作為物種出現。因此，本介紹的下一部分將描述自我擴充套件系統如何與關於複製、生物學、製造和經濟增長的想法相關聯。然後，我們將探討增長設計與傳統工廠設計的區別，以及這種生產系統的潛在優勢。為了使種子工廠不僅僅是智力上的好奇心，它們還需要有實際應用。本介紹的最後部分介紹了一些規模和難度不斷增加的候選應用。本書後面的部分旨在更詳細地涵蓋所有這些主題

第 2 節 考察擴充套件、增長和複製作為自然過程，以及作為人類文化的一部分。然後，我們研究如何將它們組合成當前的種子工廠概念。第 2.1 節著眼於將該概念付諸實踐所需的研發工作。
第 3 節 涵蓋與自我擴充套件系統相關的工程概念和方法。這些用於更好地理解和設計此類系統。
第 4 節 然後將它們結合到基於系統工程方法的設計流程中。
第 5 至第 8 節 探索種子工廠方法的四個候選應用。這些應用是為了它們自身的目的而提出的，也是開發其他用途的示例。
第 9 節 包括其他註釋和參考材料。這些內容過於詳細或過於新穎，不適合包含在主要討論中，但有助於支援前面部分。

本書中描述的種子工廠仍然是一種新方法。因此，我們沒有像更成熟的工程領域那樣可以借鑑的經驗。因此，本書是一項正在進行中的工作，必然是不完整的。關於自我擴充套件生產系統的書籍在某種程度上將保持未完成狀態，直到積累了足夠的經驗和工作示例來撰寫關於它們的權威著作。

設計方法

想要一個自擴充套件工廠並不能告訴我們設計中應該包含哪些功能，或者它與傳統工廠有何不同。我們統稱為設計方法這些功能和區別。我們在這裡列出設計方法的關鍵部分，並在本書後面詳細介紹。

增長、適應性和整合

傳統工廠往往在很長一段時間內都保持固定的產能，並且只生產有限範圍的產品。針對這些條件最佳化的單一設計是一種合理的方法。相比之下，種子工廠可以從初始裝置不斷增長到更大的產能。隨著它新增更多種類的機器和工藝，它既可以生產更多自身零件，也可以生產不斷增長的產品範圍。因此，必須在最初的設計中規劃工廠隨時間的演變。然而，未來是無法完全預知的。終端使用者可能需要不同的產品，或者可能會開發出新的生產工藝。為了適應這些不確定性，與生產量相比，靈活性、模組化設計等功能變得更加重要。無論規模多大，不斷增長的工廠都應該被設計成一個整體，而不是隻是在一個建築物中放了一堆機器。這意味著要考慮不同生產流程之間的輸入和輸出流程，將一種流程的廢物作為另一種流程的輸入，並在可能的情況下回收物品。這些功能是在傳統設計的基礎上進行的，傳統設計試圖最佳化執行每個步驟的各個部件和機器。

變化自動化

自動化在現代製造業中得到廣泛應用。然而，在不斷變化的工廠中實現高度自動化是一個新的挑戰。製造流程管理傳統上是由人工完成的，儘管近年來幫助完成部分工作的軟體已經變得很常見。對於一個不斷增長的工廠，我們希望儘可能自動化流程管理流程，以避免持續返工。一種方法是將所有工廠裝置和最終產品描述在設計檔案庫中。這些檔案不僅指定要製造的零件形狀，還指定它們的輸入材料和能量需求，以及各種加工和組裝步驟。生產某一產品的請求然後根據這些資料轉換為一系列任務。這些任務被分配給能夠完成任務的自動化裝置、使用工具和機器的人員，或者被分配到購買無法內部製造的物品。新的生產訂單從最終組裝開始，向生產鏈的早期步驟反向分配。這會生成指令來製造更多庫存或其他供應品，供後期的步驟使用，一直追溯到原材料和能源供應。透過新增新機器來擴充套件工廠，就像其他任何產品一樣，被視為一系列步驟，這些步驟最終會導致組裝和安裝。

生產軟體會識別工廠在任何給定時間可用的裝置。因此，隨著工廠的成熟和發展，給定的產品設計可以根據當前的能力生成不同的生產流程。如果工廠的總產能不足以滿足所有正在進行的生產訂單，軟體也可能會生成更多裝置擴充套件工廠的請求。這將與所有其他生產工作一起插入。因此，工廠將適應當前的生產需求。並非所有可能的未來裝置和產品的設計在開始時都是必要的或可取的。您可以使用一套有限的設計檔案來構建種子工廠，這些檔案涵蓋初始裝置和早期最終產品。隨著新產品或工廠裝置的設計開發，可以將它們新增到設計庫中，並在需要時生產。

可持續性

現代生產設計需要超越僅僅最佳化生產量和成本，並考慮可持續性等額外目標。活植物主要從當地環境中常見的能量和材料中生長，生物系統具有高度的材料回收能力。我們希望複製這些功能，以便我們的工廠可以擁有生物世界中普遍存在和可持續的時間尺度。工廠必須有意識地為此而設計 - 許多現有工廠使用稀缺資源，幾乎沒有回收利用。我們可以透過將所需的功能作為明確的設計要求納入其中，並檢視流程和流程之間的整體關係，包括工廠內部以及與外部實體之間的關係，來整合所需的功能。例如，製造水泥（混凝土中的粘合劑）會釋放二氧化碳，而溫室中的植物可能需要消耗額外的二氧化碳。將一種流程的廢物產品作為另一種流程的輸入是有意義的，但是，在設計過程中，尋找這樣做的方式必須是思考過程中的一個常態。

複雜系統

自擴充套件系統可以從簡單的初始裝置發展到更高水平的機械化和自動化，具有整合的流程以及持續的增長和變化。因此，它們的設計和構建變得更加複雜。不同的流程和製造步驟可以結合來自機械、電氣、化學、生物學和其他工程領域的多個元素。通常也存在多個設計目標，我們希望同時滿足這些目標。系統工程流程自 20 世紀中期以來一直在發展，以管理此類複雜專案。因此，我們將系統工程方法作為我們設計流程的一部分。我們還借鑑了其他領域的工具和方法，例如工業技術和建築施工，在適當的時候。為了幫助管理複雜性，我們也沒有試圖一次性設計所有內容。相反，我們遵循一種增量方法，從更小、更簡單的系統開始，並逐漸新增內容。一種方法是從一個或幾個產品和材料開始。

潛在優勢

除了純粹的智力興趣之外，一個實際問題是為什麼有人要建造一個自擴充套件的設計，而不是一個傳統的工廠？答案包括種子工廠方法可以帶來的技術、經濟和個人優勢。如果優勢足夠大，那麼人們就會將這種方法作為一種廣泛的生產方式。我們已經確定了種子工廠的一些功能，我們預計這些功能將成為優勢，並在下面列出。由於這種自擴充套件系統尚未建成，因此需要做更多的工作來證明這些優勢是真實的，並量化其程度。我們希望在撰寫本書的過程中取得進展，並在相關的種子工廠專案中設計和測試此類工廠的裝置，以解答這個問題。

整合自動化

自擴充套件工廠應該比傳統工廠更有效率，成本更低。設計將包括越來越多的智慧製造元素，包括計算機、網路、軟體、自動化、機器人和人工智慧。這減少了給定產出所需的勞動力數量，從而降低了這部分成本。從原材料到最終產品的越來越多生產步驟也被整合到一個系統中。這允許自動化步驟之間的轉移和整合流程流程。與傳統的專業工廠相比，它消除了它們之間的包裝和運輸，並降低了運輸所需的能量和勞動力。原材料通常比後期階段的中間產品更便宜，尤其是當你生產自己的裝置來開採它們時。整合的流程、更便宜的原材料和減少的運輸應該會大幅降低成本。自擴充套件降低了生產的初始資本成本，因為你只需要購買總裝置的一部分。新的裝置可以在出售產品的間隙時間內建造。這有助於保持工廠的高利用率，並將閒置資本和間接成本降至最低。

智慧製造的水平隨著工廠的增長而擴充套件。在早期階段，必要的機器或流程可能不可用。在這種情況下，流程流程將要求從外部訂購零件，或要求人員執行手動任務。當工廠更加成熟時，相同的任務可能會完全自動化。目前，全自動化可能無法實現，但我們認為，計算機、機器人、軟體和感測器已經足夠先進，可以建造一個高度自動化和整合的工廠。我們還認為，現有技術可以使這種工廠主要依靠當地可獲得的原材料和可再生能源執行。這應該使其既可持續又低成本執行。因此，它應該能夠與傳統工廠相競爭。

複製

種子工廠，在當前技術的範圍內，應該能夠發展到能夠製造幾乎完整的初始裝置副本，而只需從外部提供少量物品。在第一個建成後，您就可以實現近乎指數級的產能增長。自擴充套件工廠本質上是靈活的、通用的，能夠製造任何它們被指示製造的產品，並在它們的能力範圍內。這包括各種有用的最終產品、用於多元化的新裝置，以及更多所需的種子工廠。雖然它們被組織成不同的流程和機器，但工廠作為一個整體被設計和操作為一個具有統一控制的整合系統。工廠的每個部分都對其他部分的維護和執行以及有用的最終產品做出貢獻。因此，它在很大程度上是自給自足和獨立的。這種增長在當地生產不足或不存在的地方特別有用。

可移植性

種子工廠比傳統工廠更便攜。最緊湊的版本僅僅是一組設計檔案，包含了啟動套件、擴充套件裝置和最終產品的說明。設計檔案將包括如何從易於獲得的資源和裝置中構建啟動套件的說明，以及如何逐步擴充套件的說明。這種形式可以以低成本分發到任何地方。一個更完整、更易於使用的版本將包括一些難以製造的零件和材料以及設計檔案。將常見的當地供應品新增到這些材料中，即可構建完整的種子工廠。一個更完整的版本將裝在集裝箱中運抵，開箱即用。這些便攜形式與傳統的“現場建造”工廠形成了對比，後者相當固定。在太空，由於從地球運輸成本高昂，便攜性尤為有用。

地域性

自擴充套件生產系統不需要像大多數傳統工廠一樣存在於一個特定的物理地點。如果需要，它可以作為一個透過計算機網路連線的分散式系統執行。但是，如果機器在物理上靠近，則不同機器之間的自動化轉移或零件和供應品的交付將更容易。隨著現代通訊的發展，所有者和運營商也可以分散開來——遠端控制某些操作，而硬體則保持緊密 proximity 以提高效率。靈活的佈局是現代技術帶來的一個選擇，在過去的幾十年裡是不可用的。它讓所有者按照自己的意願安排事物，而不是因為那是執行工廠的唯一可行方式而把人和機器放在一個地方。分散式和遠端操作可以節省通勤時間和費用，並減少對生產地點停車場、食堂和洗手間等的需求。

經濟學

自擴充套件生產的經濟效益應該比傳統工廠更好。最初，它無法制造所需的100%的零件和材料。它會生產出它能夠製造的東西的盈餘，並將其出售以支付它無法內部供應的物品。隨著工廠的增長和成熟，工藝多樣性和產能的提升，它將生產更多自己的物品，對外部的依賴減少，從而降低生產成本。在工廠能夠自建的範圍內，而不是直接購買所有裝置，它需要的資金比直接建造傳統工廠少得多。

傳統工廠透過規模經濟和批次生產來降低單位成本。從種子長成的成熟工廠透過減少資本、自動化、整合和使用更接近原材料的投入來降低單位成本。傳統工廠往往規模龐大，在完工之前無法運作。因此，他們需要大量的資本投資，而這些投資必須等到生產開始才能獲得回報。資本往往來自大型和耐心的來源，這些來源通常不是最終在工廠工作的人。從啟動套件中生長出來使工人更容易成為所有者。作為所有者，他們將對自己的收入更有保障，並更願意長期投資於自己和工廠。如果所有者運營商自己使用產品，以滿足自己的需求，他們可以變得更加自給自足。智慧技術可能會在未來取代許多傳統的工作。自給自足將避免由工作流離失所造成的問題。

[合併或移動]

第二卷討論了太空專案。地球的深重力井使得進入太空變得困難。因此，相對較小的種子工廠，然後成長到所需的產量，將特別有用。工廠將不在地球上運送所有東西，而是本地生產所需的東西。第二卷首先介紹了與太空相關的科學技術。太空專案首先需要到達那裡，並且通常涉及隨後的移動，因此運輸是關鍵技術。太空環境並不自然地支援我們所知的生命，因此居住系統也很重要。其他技術在地球上也有類似物，但需要針對太空環境進行修改。第二卷的剩餘部分繼續介紹一系列應用於太空專案的應用。

與傳統工廠的差異

傳統工廠通常以固定速率生產固定範圍的產品，持續一段時間。工廠的改進通常由現有產品的銷售支付，並且通常由外部來源提供。種子工廠可以透過這種方式進行改進，但它們也有另一種選擇：它們可以生產的產品範圍以及生產產品的速度可以隨著時間的推移而不斷變化，並且大部分改進可以來自內部來源。

“種子”是一套啟動裝置。它可以用於以下任何或所有方式改進工廠

複製 - 複製自己的部件，以便最終複製整個機器或整個工廠。
多元化 - 為新型裝置製造零件，擴大可能的輸出範圍。
規模化 - 為比啟動套件更大（或更小）的裝置製造零件。
升級 - 為現有部件和裝置新增附件或擴充套件，或製造更好的版本。

技術還沒有達到複雜系統完全無需人工即可執行的程度。因此，我們將要討論的這類自我改進系統和不斷成長的工廠將不可避免地包含人員。這包括設計師、裝置操作員和其他技能。人們也可以提高，獲得新的技能和經驗。這種自我改進也可以在計劃中，並納入到成長過程中。

種子工廠的特點

種子工廠以及它們成長而成的改進型工廠，可以包含幾個有用的特點

它們可以設計為整合系統。這將整合從原材料和能源到成品的多個生產步驟。工廠的每個部分都可以生產其他部分所需的資源，使其隨著工廠的增長而變得更加自給自足。整合過程還可以將一個步驟的廢棄物輸出用作另一個步驟的輸入。

工廠佈局可以是本地化的（所有在一個地方），分散式的（各個部分位於多個地方），並協調運作，或者兩者兼而有之。這為系統各部分的位置和增長方式提供了更多選擇。它也為參與的人們提供了更多工作地點的選擇。

工廠可以從一個技術水平開始，例如手工工具和裝置，但隨著時間的推移，升級以利用現代資訊科技、自動化、機器人技術和人工智慧。這使得能夠以低成本和低技能水平起步，而最終的具有現代技術的整合版本將非常高效。

隨著這些工廠的擴充套件，它們可以為終端使用者生產越來越多的產品。隨著它們的多元化，它們也可以生產越來越多的用於自身增長的零件。啟動套件的體積小，相對簡單，使其成本低廉，而它發展而來的更大產能可以產生高收入。加上整合流程和自動化帶來的低運營成本，這種型別的系統在經濟基礎上非常可取。

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