第 2.2 章 - 概念演變和進一步研究

在第 2.1 章中，我們描述了將多個想法結合起來形成自我改進系統，以及這些系統的起點，稱為種子工廠。這種方法相當新穎。因此，本章我們將回顧概念的演變過程、其當前狀態、仍然未知的內容以及解決這些未知內容所需的進一步研究。

1.0 - 概念演變

種子工廠方法在 20 世紀後期和 21 世紀初期發展成為目前的形態，當時所需的科技和理念已經發展成熟。這包括從手工工具到現代自動化機器的所有工具，以及從人力到我們今天使用的各種能源。

一旦自我控制的機器能夠在減少人工干預和非人類能源的情況下執行，人們就開始想象它們像生物一樣複製自己。最初的想法是模仿生命，使用自動機和機器人。當電子裝置發展到足夠先進的時候，複製過程除了包括機械裝置外，還包括儲存資訊。到 1980 年，這帶來了第一個提議，稱為“種子工廠”。這將是一個完全自動化的機器集合，由計算機和軟體控制，並由太陽能供電。它將從原材料中構建自己的精確複製品，無需人工干預。

無人工干預的機器複製在過去和現在都超出了技術水平，除了計算機軟體和資料。所有現代計算機都具有“複製”指令，並且可以將資料從一個地方移動到另一個地方，因此複製資訊非常簡單。複製機器及其製造的材料要困難得多。因此，在我們的工作中，我們以多種方式修改了種子工廠的原始版本。

第一個修改是向工廠系統中新增人員。接下來是複製不到 100% 的零件和材料，並允許剩餘部分進口。這允許從較小的裝置集開始。該裝置集可以隨著時間的推移而增長，透過使用它加上進口來為自身製造新的物品。逐步增長也允許將設計分成比完全自動化版本更小的步驟。

這些變化降低了啟動的成本、複雜性和工作量。系統工程和軟體開發中的方法可以在這種逐步方法中使用，以組織和最佳化增長。工廠的更小更簡單的“啟動套件”或“種子”的概念現在是我們的方法的核心特徵。

長期以來，人們一直在建造複雜的系統，如城市和文明。因此，我們最後的改變是將自我改進泛化到所有型別的系統，而不僅僅是工廠生產。我們積累的知識和經驗被用來有意識地設計現有系統和新啟動系統的自我改進。

能夠自我擴充套件、升級和複製的系統能夠實現指數級增長。這為解決大規模問題提供了物理基礎。“整體系統”方法考慮了所有內部和外部輸入和輸出及其影響。這可以避免產生新問題。我們的知識庫不是固定的，系統演變可以是無限的。因此，改進的系統不必達到某個固定的最終目標。我們可以預期它們會隨著時間的推移不斷增長和演變。

以下子部分將提供有關概念的發展和特性的更多細節

1.1 - 自動化

人類已經能夠從可用的材料中複製簡單的工具數百萬年。但是，要複製現代的複雜裝置，並有效地做到這一點，自動化是一項關鍵技術。自動化之路最初非常緩慢，但在最近幾年加速發展。

古代工具，如手斧，沒有活動部件，由人力驅動。它們存在的時間比現代人類還要長。機器有活動部件，如齒輪。構成機器的大部分簡單元素是在農業發展後的 12,000 年左右發明的。在這個時期，使用馴養動物來提供額外動力也發展起來。這與我們物種約 30 萬年的歷史相比，是比較近的事情。風車和水輪等機械動力源大約在 2000 年前開始使用。受控火是古老的，但用它來驅動機器只有幾個世紀的歷史。自那時起，我們的機器的複雜性和它們的新能源源泉一直在加速發展。

動物具有一定的自我控制能力。例如，拉車的馬可能在沒有駕駛員持續關注的情況下，以穩定的速度沿著一條路徑行走。馬的感官和神經系統控制著它們的肌肉來完成這一動作。最早的機械控制是為了讓時鐘以穩定的速度執行。公元前 270 年左右就描述了水鐘的一種控制方式。這種控制方式的工作原理是感知裝置的某些狀態，然後進行調整以達到預期的狀態。這種從當前狀態反饋以達到預期狀態的機制被稱為反饋控制。

由風、水或火驅動的更復雜的機器增加了對控制裝置的需求，以保持它們的轉速、壓力和溫度在安全和期望的範圍內。這種控制裝置從 17 世紀開始被髮明，並在 18 世紀的工業革命中得到廣泛應用。

1882 年商業電力開始使用，推動了 20 世紀早期開關型控制裝置的快速發展。最初，人類根據儀器讀數做出控制決策。在 20 世紀 30 年代，電氣控制開始使用除開關之外的逐步響應。儀器也開始產生電訊號而不是視覺訊號。這使得控制裝置可以直接發出響應，而無需人工干預。

電子裝置調節電子的流動或電流。這除了提供電力外，還可以攜帶資訊。自 20 世紀初以來，各種型別的有源器件不斷被開發出來。它們以更復雜的方式改變資訊訊號，例如根據兩個或多個輸入訊號改變輸出訊號。這種器件已被以越來越多的數量連線起來，以建立執行更復雜功能的電路。

20 世紀中葉，固態電子器件的出現，極大地縮小了電路尺寸，使更多功能能夠整合到控制系統中。計算機 使用複雜的電子電路來執行一系列算術或邏輯運算，這些運算基於儲存的程式和資料。儲存的資訊可以更改，使計算機非常靈活。當用於控制機器時，任務也可以改變，而不是多次執行相同的事情。

電力、電子和計算機控制使單個機器功能、整個複雜機器以及構成工藝或工廠的多個機器能夠在更少的勞動力的幫助下執行。它們自己控制自己，而不是需要人們做出決定。這項技術被稱為自動化。截至 2022 年，計算機和自動化仍在快速發展。

1.2 - 複製

人類存在以來，一直在自然界觀察到生長和繁殖。在製造業中，我們使用各種工具和機器來製作產品的完全相同的複製品。產品自身的複製是一個最近的想法，被稱為機器複製或自我複製機器。這是一組可以製作其自身完全相同複製品的機器或工廠。

一旦控制理論和自動化得到充分發展，機器複製的想法就變得顯而易見。它在 20 世紀中葉的同一時期得到了嚴肅的理論研究，從對複製細胞自動機的約翰·馮·諾依曼的研究開始。弗裡塔斯和默克爾 2004 年出版的一本書，運動學自我複製機器，全面回顧了到那時為止關於複製系統的文獻。

1982 年的一份 NASA 研究報告，用於太空任務的先進自動化 (AASM)，介紹了將複製工廠用於月球的概念（圖 2.2-1）。他們的想法是使用當地材料和能源多次複製原始工廠。一旦製造了足夠的複製品，其總生產能力將轉向製造不確定的最終產品，以支援 NASA 的目標。AASM 研究引入了種子工廠一詞，指的是從地球交付的第一臺工廠單元。在這些書中，我們將其用於更一般的概念，即可以擴充套件的初始集合，它可以透過多種方法進行擴充套件，而不僅僅是直接複製其自身的部分。

當時從地球傳來的資料速率太低，無法進行遠端控制。因此，假定該工廠是全自動的。為此估計的計算機能力為 2 GB 記憶體和 35 GB 儲存空間，遠遠超出該研究進行時（1980 年）的可用範圍。整個種子工廠的重量也估計為 100 噸。阿波羅登月艙可以運載約 5 噸，需要多次飛行，而且它已於 1980 年退役。因此，沒有實際的方法來交付工廠。最後，在月球上沒有迫切需要進行開採和生產。因此，由於所有這些原因，該想法沒有得到進一步發展。

該研究確實考慮了原材料的可用性和材料加工方法，但沒有進行完整的資源流動，沒有考慮所有材料、能量和資料。第一個電子表格程式，VisiCalc，剛剛在 1979 年推出，計算機模擬和數值分析軟體處於相對早期的發展階段。當時的技術手段無法處理如此複雜的設計。最後，該研究沒有考慮該想法在地球上的應用，因為 NASA 的目標不包括改進地球上的製造業。儘管存在這些缺陷，AASM 研究可能是迄今為止對完全自我複製工廠描述的最成功嘗試。

1.3 - 更新種子工廠概念

我們在 1.0 節中提到的對原始提案的更改極大地簡化了構建有用、可執行系統的過程。它們是：（1）允許人們幫助機器。人類可以完成許多通用的任務，並且可以複製我們自己和我們的知識，（2）允許一組人和他們的裝置製造不到完整的複製品所需的全部零件。剩餘部分從其他地方供應。以及（3）從僅複製現有零件和材料改為製造新的和不同的零件。這些零件被組裝成新裝置，以新增到原始集合中。

新專案被新增到初始集合中，形成一個重複序列。每種新工具或機器都與以前的工具或機器一起使用來製造序列中的下一個工具或機器。根據需要新增人員來執行所有內容。這個過程一直持續到擴充套件後的集合能夠製造出所有需要的產品，或者能夠製造出原始集合的複製品。在第二種情況下，有些人可以轉移到僅與初始集合的複製品一起工作。在這一點上，系統已經完全複製了自身。這種透過中間步驟進行復制的方式被稱為間接複製，而原始 AASM 方法使用僅使用初始工廠的直接複製。

AASM 研究假設種子工廠除了複製自身直到達到某些所需能力之外什麼也不做，然後切換到支援一個未指明的太空專案。所以我們第四個改變是使用工廠產出的一部分，同時仍在增長，來製造產品以供使用、銷售或交易。這可以幫助支付無法內部製造的材料、零件和裝置的費用。

月球種子工廠將與文明的其餘部分隔絕，並且必須自行復制。我們的更改將系統與社會其他部分相結合。計算機和通訊在過去 40 年中得到了極大的改進。因此，太空中的自我改進工廠可以相互連線，而不是相互隔離。

最初的想法是為了能夠進行大規模的太空專案，而無需從地球發射所有東西。但是自然規律在任何地方都是一樣的。一個可以在太空中起作用的想法也應該在地球上起作用。地球是大多數文明已經存在的地方，也是我們大多數未滿足的需求和問題所在的地方。因此，我們預計種子工廠的第一個也是最常見的用途將在地球上。

這些變化導致了我們在這幾卷書中描述的種子工廠概念。但是自我擴充套件和升級不是工廠的最終目的。它是一種手段，而不是目的。因此，種子工廠會在某個時候停止只為自己製造新裝置，並且只銷售商品以支付進口費用。隨著它的成熟，它還會生產一定數量的成品，供人們使用。從一開始就生產成品，而不是僅僅改進工廠，或者在以後的某個時間開始，都可以。成品與自我改進之間的比例也可以根據需要進行更改。

一個“傳統”工廠從一開始就生產有用的產品，但不會生產任何東西來改進自身。這是過去大多數工廠的運作方式。它只需要一組固定的裝置來生產一定範圍的產品。正在成長和成熟的種子工廠將不斷變化。開始時需要什麼裝置以及後來新增什麼裝置，取決於所有者的目的和目標。由於這是一個新想法，還需要做更多的工作來找到達到特定成熟狀態的最佳初始集合，以及如何為這些工廠提供資金、組織和運營。

1.4 - 多樣化、靈活性及增長

我們還不知道一個完全成長的工廠是否能夠像 1982 年的研究假設的那樣複製自身——在沒有人工干預的情況下，只使用當地原材料和能源。這是需要進一步研究的課題。但是，即使我們知道如何做到這一點，從工程的角度來看，它可能也沒有意義，因為成本和實用性很重要。

完全自主的複製使得設計變得更加複雜，物理尺寸也更大，因為它在內部執行更多工。這使得它更加昂貴。一個特定地點也可能沒有所有所需材料的可使用量，並且可能沒有足夠的能量用於密集過程。當僅使用當地資源時，設計必須不那麼最佳化。例如，1986 年一項關於建造太陽能衛星的研究發現，98% 的材料可以從月球獲取，但另外 2% 需要從其他地方獲取。這表明在月球上製造所有東西的最初想法是不切實際的。

某些零件，例如計算機晶片，也很可能在一個小型工廠內很難製造，而與其相比，直接購買它們更方便。由於資源和困難問題，一個實用的設計很可能複製不到 100% 的零件。這對於任何地點來說都是可能的，不僅僅是月球。一旦在實際設計中允許進口物品，就可以隨時間推移改變百分比。

一個入門套裝可以用來製作部分材料、零件和成品。其餘部分來自外部來源。它們共同用於建造新的裝置。新增的裝置能夠在內部製造更廣泛的產品。重複的自我升級會根據需要進行多次。我們稱新增新裝置以拓寬產品範圍為**多元化**。它可以持續進行，直到你製作出所有想要的全系列產品，或達到可實際使用的全套裝置。一個**成熟的工廠**就是已經達到這些水平的工廠。

一類新的裝置是現有裝置的擴充套件或附件。例如，延長軌道和更大的工作臺可以讓 CNC 機床加工更大的零件。傳統的農業拖拉機是具有多種不同附件的機器的例子。工廠中的模組化車輛底盤或機械臂同樣可以接受一系列附件。像裝配夾具、夾具、模具和定製切割刀具等物品可以使基本機器更加靈活。選擇入門套裝成員的標準之一是它可以使用的這些附加物品的數量，以及它可以完成的不同任務的數量。我們稱此功能為**靈活性**。入門機器越靈活，你需要的機器就越少。

一個傳統的工廠從一套完整的所需裝置開始。一個種子工廠從一套較小的裝置開始，再加上一套製造其餘裝置的計劃和說明。現代計算機可以以非常低的成本儲存這些資訊。因此，種子工廠加上擴充套件計劃作為起點將更便宜，但可能需要更長的時間才能增長到所需的產出水平。傳統工廠被設計用來生產特定範圍的產品。一個成熟的自我升級工廠除了這些特定產品之外，還可以製造大部分自己的裝置。因此，它擁有更廣泛的可能產品範圍，因此能力更強。

一旦可以生產特定範圍的產品，就沒有必要停止自我升級過程。一旦達到**實際複製**，你就可以複製在給定位置可以實際製作的所有物品，也沒有必要停止。除了這些點之外，還可以新增更多裝置用於其他流程、材料和產品。自我改進可以持續進行，直到某個位置的資源和裝置空間有限，或者人們用盡了他們想製作的東西。因此，種子工廠比傳統工廠擁有更大的增長潛力。

1.5 - 規模化

簡化的入門套裝是降低入門複雜性和成本的一種方法。裝置尺寸的規模化是另一種方法。AASM 研究只考慮製作原始裝置的精確複製品。但我們知道裝置有各種尺寸。顯而易見，給定尺寸的工具和機器可以用來製造更大的產品。否則，我們的文明不可能建造像摩天大樓和巨型貨船這樣的東西。

製作更大物品的一種方法是使用焊接和螺栓連線等固定方法將它們從較小的零件組裝起來。因此，一代工具和機器可以用來製造下一代的更大（或更小）版本。規模化精度而不是尺寸也可以用來製造逐步改進的裝置型別。

另一種規模化方法是使用在至少一個軸上開放式的流程。一個例子是製造結構鋼型的軋機。軋製過程不限制你透過它的金屬零件的長度。它只受你兩側有空間多少的限制。在二維和三維中，一個例子是混凝土結構的澆築。模板、混合和澆築裝置可以移動，依次在不同的部位工作。因此，像機場跑道這樣的成品結構可以比製造它的裝置大很多倍。

規模化可以從最方便的尺寸開始，然後在連續的裝置世代中多次應用，直到達到所需的最終尺寸。理論上，你可以從微觀機器開始，以最小尺寸、成本和使用材料開始。但在實踐中，任何尚未自動化的操作和維護都需要人工互動。這些任務應該從人們可以直接處理的規模開始。否則，你需要額外的裝置來處理非常小的或非常大的任務。

每代規模化都需要更多時間，並且可能留下以後不需要的尺寸的裝置。規模化還需要為每一代進行一些重新設計，因為系統的並非所有部分都能等比例縮放。最後，給定數量的工具和機器的設計工作量相對恆定，無論它們的大小如何。因此，從較小尺寸開始的材料節省最終將相對於總設計成本變得微不足道。所有這些因素都將用於選擇從什麼尺寸開始，以及之後如何進行規模化。

1.6 - 技術水平

AASM 研究做出的最終假設是完全自動化。這是因為即使對於月球上的一個工廠，更不用說 1000 個副本，1980 年的通訊技術也不可能實現遠端控制。我們不需要對當前的種子工廠概念做出這樣的假設。一方面，某些任務要麼太難自動化，要麼很少做，所以不值得嘗試自動化。讓人們去做那些事情更容易。另一方面，嘗試從一開始就自動化所有事情需要更多裝置和更多設計工作。最後，現代通訊已經有了足夠的改進，使人們透過遠端控制進行遠端控制成為可能。

與其假設完全自動化，你可以從任何實際可行的方案開始。CNC 機床和 3D 印表機是現有的半自動化裝置型別。它們可以在設定作業和取出成品之間自行執行。因此，它們是入門套裝的不錯選擇。隨著時間的推移，你可以新增機器人和自動化庫存系統來接管設定和移除工作，從而提高自動化程度。透過設計，你可以部分製造自己的裝置，因此以後新增它們將比一開始就嘗試購買它們便宜得多。從部分自動化開始還可以讓你將更復雜的自動化的設計推遲到以後。這降低了入門成本。

最低的成本是從沒有任何工具開始，並透過手工製作粗製工具來引導。但對於現代文明來說，這是不必要的。對於許多專案來說，從一定數量的負擔得起的工具和動力工具、一些較大的固定和移動機器以及一些使用自動化、機器人、軟體和 AI 的智慧工具開始是有意義的。購買這些已經設計好並投入生產的物品將比從頭開始更值得花費時間和勞力。從一開始使用多少以及使用哪種裝置將取決於參與的人員、可用資源、地點和專案目標。

1.7 - 關於入門套裝和升級

入門套裝並不是一個新主意。它們在歷史上被廣泛使用，特別是在開拓新地區時。最初，這些是手持工具，用於狩獵、砍伐和研磨。攜帶它們的需要限制了它們的總重量。隨著技術的進步，船舶和貨車可以運載更大的入門套裝，然後在目的地建造結構來容納它們。這些套裝包括植物種子、動物、工具以及成品的庫存，如釘子和布料，這些東西最初無法生產。

一旦定居者到達，他們就開始清理土地、種植作物和建造房屋。隨著時間的推移，他們開始製作自己的工具和產品。在那之前，他們與其他地方交易他們還無法制造的物品。入門套裝的內容隨著時間的推移而有所不同，但人們普遍認為，你需要一個入門套裝才能在一個新地方生存。

在現代世界，在一個新地方重新開始的想法變得不那麼普遍了。交通運輸的改善和廉價的大規模生產可以以合理的成本提供足夠的成品和物資，從而避免使用入門套裝。但一個想法仍然有用，即使它目前並不流行。我們可以透過使用 21 世紀的裝置和方法來更新入門套裝的基本理念。然後，我們可以將其用於已經開發的地區，以更低的成本啟動新專案。它也可以用於更困難和偏遠的地方，否則這些地方難以利用。

有車間的人習慣於用他們已經擁有的工具和機器製作儲藏室、工作臺、夾具和其他升級。因此，自我改進的想法已經成為他們思維的一部分。有時，木材和金屬商店將使用他們自己的裝置建造全新的機器。但這種車間通常不會生產所有零件和材料。他們製作更容易製作的物品，併購買軸承和電機等更難製作的物品。

人們在歷史上也複製了工具和裝置。例如，木匠可以使用現有的工作臺來幫助製作另一個工作臺。但進行復制的是人，而不是工具自身進行復制。智慧工具的開發意味著機器能夠更有效地集體複製和改進自己，而不需要太多人來做這項工作。

1.8 - 超越工廠生產

我們最後也是最不成熟的想法是將自我改進推廣到工廠生產以外的其他系統。我們可以考慮人們作為個人提升自己的技能和經驗，或者在群體中幫助彼此提升。我們可以考慮設計自我改進的生態系統，其中先鋒物種為後來的物種鋪平道路，等等。這裡的核心思想是有目的的設計和規劃改進。系統思維被用來解釋相互作用和副作用，從而避免在解決現有問題的同時創造新的問題。提前思考非常有用，也許還不夠經常或不夠深入。將自我改進推廣到更廣闊的領域需要更多工作和思考，但最終會帶來廣泛的益處。

2.0 - 當前狀態和專案

據我們所知，還沒有人建造過一個從啟動套件開始、製造大部分甚至全部用於自身擴充套件的物品、並使用高水平自動化的工廠。除了農業和一些軟體之外，還沒有實現完全的自我複製。像農場這樣的混合系統同時具有生物和非生物元素。植物和動物，包括農民，可以自我複製，但建築物和裝置卻不能。

關於人工自我複製的工作主要是在理論層面，只有一些簡單的原型。因此，這種方法不如其他型別的製造業成熟。那些已經建造了多個專案，並進行了執行，並因此積累了知識和經驗。我們希望將自我改進系統和種子工廠提升到類似的水平。因此，本節將回顧迄今為止所做的工作，並在第 3.0 節中列出開放性問題和需要進一步開展的工作。

像我們在這幾本書中描述的那些新想法和方法，並不是孤立發展的。它們利用了其他科學、技術和社會科學領域的知識和經驗。因此，瞭解這些其他領域的現狀和進展也是必要的。在這裡進行詳細討論既不合理，也會很快過時。相反，我們將指向其他資源來獲取這些資訊。隨著這些書籍中工作的進展，我們預計會定期更新來自其他領域的資訊，並在需要時將它們整合進來。

2.1 - 現有知識和經驗

我們希望設計出可以從啟動套件演變為高度整合和自我執行系統的專案。它們既為自己進行改進，也為其他人提供各種成品。為了提高效率，我們預計它們將使用大量的計算機、軟體和通訊來執行。我們也希望使用自動化、機器人和人工智慧來減少人工勞動。

這些技術共同實現了智慧工具和智慧系統，它們可以在很大程度上獨立執行。因此，資訊科技（IT）和智慧工具成為這些型別專案的演進的核心主題。這兩個主題都在飛速發展，因此保持最新狀態非常重要。更基本的啟動套件和更簡單的專案可以依靠沒有廣泛的 IT 和智慧功能的裝置。這種裝置的演進速度並不快，因此需要更少的關注才能保持最新。然而，即使是先進的智慧系統也需要基本工具進行維護。

資訊科技

計算機、軟體和電信統稱為資訊科技。IT 裝置用於儲存、檢索、傳輸和操作資料。這種裝置被用於現代製造的各個階段，從生產裝置和產品的初始設計到工廠執行的控制，以及與外部實體的通訊。它是一個非常大的行業，2017 年的估計支出為 3.5 萬億美元，佔世界 77.8 萬億美元的衡量經濟活動（世界生產總值）的 4.5%。截至 2022 年底，亞馬遜網站在搜尋“資訊科技”時列出了超過 50,000 個結果，而美國國會圖書館返回了該詞條的 10,000 個結果。這些來源中的最新標題是瞭解其現狀的起點。

快速改進是構成 IT 系統的硬體和軟體元素最顯著的特徵。例如，當美國宇航局在 1980 年研究自我複製工廠時，估計執行這些工廠所需的計算能力相當於當時世界上最快的超級計算機。如今，同樣的計算能力已經被一臺基本智慧手機所超越，並且預計會持續改進。維基百科的資訊科技類別中列出的子類別和頁面可以作為更具體的主題領域的起點。還有許多IT 組織，其成員和出版物是獲取最新資訊的來源。

智慧工具和系統

這些工具用硬體和軟體取代了人類決策的一部分，用於控制裝置。它包括自動化、機器人技術、軟體和人工智慧領域。以下資訊來源和組織可以作為了解其現狀的起點

自動化是指使用控制系統和資訊科技來減少在提供商品和服務方面對人工勞動的需求。自動化領域很大，以至於國際自動化學會擁有超過 40,000 名成員，美國國會圖書館在搜尋“製造業自動化”時列出了超過 900 本書籍。特別值得關注的是數控機床，稱為 NC 或 CNC（計算機數控）。機床從基本庫存形狀中加工金屬或其他剛性材料的零件。由於機床本身主要是由金屬零件製成的，因此這種工具可以幫助製造更多類似的工具。

同樣值得關注的是3D 列印，它透過在計算機控制下新增材料來製造零件。這些印表機可以製造一些自己的零件，只要這些零件是由它們可以列印的相同材料製成的。機床和 3D 印表機也可以為許多其他型別的機器製造零件，以及許多成品。

機器人技術關注可程式設計機器，與執行固定操作集的機器不同。這兩個領域自 20 世紀中期以來密切相關並平行發展，這是因為電子裝置和感測器變得足夠好。機器通常會涉及運動，但過去，運動型別是由設計決定的。機器人是可以在自動化或遠端控制下執行運動的機器，其中具體的運動不是固定的。您可以透過更改機器人控制輸入來更改它執行的任務。機器人技術和自動化現在廣泛應用於製造業，並開始應用於其他環境。

機器人技術自 20 世紀中期以來迅速發展，當時“機器人技術”一詞被創造出來，第一個現代可程式設計機器人被開發出來。現在有許多組織和公司參與其中，IEEE 機器人與自動化學會擁有來自 120 個國家的 13,000 多名成員。亞馬遜網站列出了超過 20,000 本與機器人技術相關的書籍，而美國國會圖書館在搜尋詞“機器人技術”時列出了超過 4600 個專案。

軟體是計算機程式和相關資料的集合，告訴計算機該做什麼。計算機反過來可以控制工具和機器。計算機科學和軟體工程領域也自 20 世紀中期以來發展起來，與電子計算機的發展並駕齊驅。全球軟體開發人員數量現在已達數千萬，計算機和軟體構成了我們文明的重要組成部分。這些技術對於更先進版本的種子工廠和自我擴充套件系統也將是必不可少的。

人工智慧一般是指模擬或超越人腦功能的機器。就我們工作的目的而言，我們主要關注用於提供商品和服務的函式。該領域成立於 20 世紀中期，但在 1970 年代至 1990 年代（人工智慧“寒冬”）進展緩慢，這是由於實際應用和可用計算能力方面存在困難。從那以後，理論、跨學科和硬體方面的改進導致了快速發展。人工智慧促進會現在擁有 4,000 多名成員，亞馬遜列出了大約 30,000 本關於人工智慧和機器學習的書籍。美國國會圖書館在“人工智慧”和“機器學習”這兩個詞條下編目了近 10,000 個專案。

其他領域

除了上面提到的核心科目之外，還有許多其他科學、技術和社會科學的分支，在設計和構建自我擴充套件和自我改進系統方面非常有用。在科學領域，有 **地質學**、**化學**和**農業科學**，用於理解原材料，加工它們以及種植生物產品。在技術領域，有 **建築**、**機械**、**電氣**、**運輸**、**採礦**和**製造**工程。**社會科學**關注的是個人以及他們在群體中如何互動。它與任何包含人員的專案都相關。其他知識領域也可能證明有用。

科學和技術本身都是非常廣泛的學科。在處理自我改進型專案時，您可以開始使用維基百科的 **自然和物理科學**和**技術和應用科學**概述，以及從這些概述連結的許多單獨文章和參考文獻來確定哪些部分有用。另一個起點是美國國會圖書館的 **主題分類概述**，尤其是 Q、S 和 T 類別。從這些概述中，您可以識別出更具體的主題，然後使用圖書館的線上目錄識別出具體的標題。除了線上和已出版的資訊之外，聯絡在特定領域工作的個人並獲得他們的幫助來識別當前的技術水平非常有用。

2.2 - 相關主題和專案

[注意：本小節可能需要更多參考文獻。]

我們已經確定了與自我改進和種子工廠型別系統相關的廣泛知識領域。它們也可以用於任何專案或產品，這些系統可以反過來產生。這些領域的一個子集以及使用它們的活動與這些書籍中的主題更為密切相關。**種子工廠專案**尤其致力於此。相關主題的部分清單包括

相關主題

一個完整的文明，包括其中的所有人，可以被認為是自我擴充套件的，並且具有自我複製的元素。因此，文明及其技術的增長和演變是有趣的。

基因工程生物體複製使生物技術成為一個相關領域。

軟體系統能夠在合適的支援硬體的情況下複製自己。因此，計算機科學和軟體工程的大部分內容都是相關的。

現有的自動化和機器人技術

有大量的工廠使用一定程度的自動化。其中一些工廠生產與工廠本身使用的產品相同型別的產品。一個著名的例子是 **哈斯自動化**，這是西方世界最大的機床製造商。他們自己工廠中三分之二的金屬切削機床是在內部製造的。他們製造的機床是計算機控制的，並且經常無人值守執行，因此他們的生產線基本上是自我操作的。

一般 **3D 列印** 或 **增材製造** 過程是將材料在計算機控制下串聯新增到零件中。這與使用切割工具的機械加工相反，機械加工從未加工的材料中去除材料以生產零件。某些 3D 印表機，例如 **RepRap 3D 印表機**，有意設計為列印其自身零件的副本，同時也能製造用於其他用途的零件。單臺 3D 印表機無法從構成它們的所有型別的材料中製造零件，也無法制造更復雜的零件，例如電機和電子裝置。因此，它們只部分自我複製。

自我擴充套件

組裝是生產的步驟之一。部分自我組裝的一個例子是國際空間站，在那裡使用大型機器人手臂安裝了空間站的額外部分。較小的建築起重機經常用於組裝較大的起重機，並且建築專案的完成部分可以用來幫助完成自身。例如，高層建築通常將起重機和電梯安裝在現有部分的側面或頂部。

相關專案

一些專案涉及部分自我擴充套件和複製，或朝著這樣的系統進行研究，包括

**開源生態** - 這是一個正在進行的專案，旨在開發一個“全球村莊建設套裝”，該套裝包括 50 臺機器，旨在共同生產大多數自身元件並滿足大多數人類需求。除了機器之外，您還需要足夠的土地和勞動力來操作它們。這是一個有意設計的入門套裝，機器設計便於製造。

該專案的特點是建造和測試實際硬體，在某些情況下，還包括多個版本和副本。對該專案的批評包括“散彈槍”設計方法，沒有說明為什麼這 50 臺是應該建造的正確機器，應該按照什麼順序建造它們，或者需要什麼尺寸。另一個批評是靜態的自動化水平，而不是從更簡單的級別開始並進行升級。包含的機器仍然需要大量的勞動力來操作。該專案似乎在 2011-13 年的初始努力爆發後進展緩慢。

**美國宇航局原位資源利用 (ISRU)** - 2010 年美國宇航局 **技術路線圖**（PDF 檔案）確定將當地材料和能源用作未來太空任務的重要技術領域。ISRU 類別，技術領域 7.1（路線圖文件的第 2.2.1 節）包括採礦和生產任務，並提到了自我複製和維護。這些與種子工廠所涵蓋的思想相似。

截至 **2017 年預算估算**，美國宇航局將他們太空技術計劃資金的一小部分用於先進製造和 ISRU，處於概念水平和一些實驗測試。這項工作分佈在美國宇航局的幾個中心（艾姆斯、馬歇爾和肯尼迪）。美國宇航局通常關注單個技術要素，並且缺乏強大的系統分析方法。因此，它低估了這項技術對其整體計劃的槓桿作用，並且與發射載具和推進等領域相比，資金不足。他們也沒有考慮這項技術的地球應用，因為地球製造不在該機構的任務範圍之內。

3.0 - 種子工廠專案

這些書籍是作為種子工廠專案的一部分而開發的，該專案完全致力於研究和測試自我擴充套件和自我改進型系統。這些書籍和該專案的其他工作遠未完成。這裡我們簡要介紹一下該專案的歷史和進展。我們歡迎來自他人的交流和對我們工作的貢獻，包括對這些書籍的貢獻。您可以透過前言頁面末尾列出的聯絡方式聯絡我們。

3.1 - 背景和起源

大約在 2011 年，作者（Eder）注意到 1982 年 AASM 研究中不足的計算機和通訊水平已透過這些領域取得的快速進步而得到解決。作為一名空間系統工程師，我為 **人類擴張** 進行了概念設計研究，該研究超出了地球範圍，作為 **空間系統工程** 教科書的一部分。該研究包括使用種子工廠，因為它們現在似乎是可行的。該研究已擴充套件，並構成了本書的第 4 部分，而這本書現在是這套書的第 II 卷。

自我擴充套件生產被確定為使大型太空專案負擔得起的關鍵技術。從當地材料生產燃料、其他用品和硬體大大減少了需要從地球運來的質量和成本。不久之後，我意識到這項技術在地球上也有價值。它可以用來製造與太空專案無關的產品，以及建造太空硬體和將它運送到太空的運輸工具。在地球上獲得的這種製造系統的經驗可以應用於未來的太空專案。

地球上的需求更為緊迫，而且當前的規模遠遠大於太空。因此，到 2013 年初，研究工作已轉向首先設計地球版本的種子工廠。這裡的工作環境、材料和能源來源、可用人員以及裝置交付的難度都有很大不同。這會導致不同的設計和發展路徑。自我改進/擴充套件/進化/升級系統的想法在智慧工具時代也顯得尤為重要。

因此，我們開始了第二本書（本書），以全面介紹自我生產和種子工廠的概念及其在地球上的應用。這兩本書現在是一套兩卷本，第 II 卷涵蓋了太空中截然不同的環境。它們不僅透過應用相同的思想聯絡在一起，而且因為第一個用於太空自我改進系統的裝置將來自地球。我使用複數“我們”，因為到目前為止，這些想法已由多人討論，並且我們收到了除了我自己之外的編輯和財務貢獻。

新思想的理論發展，例如我們研究中的思想，是必要的第一步。但它們的真正價值來自於將它們付諸實踐。因此，我和其他人啟動了種子工廠專案，以超越想法，開發和建造物理原型和系統以證明這項技術的有效性。該專案旨在成為一個開源協作，以分享知識並提供相互幫助。使用該技術製造的特定產品或物理系統將是私人擁有的。如果原型獲得良好的結果，那麼下一步就是建造工作工廠和生產網路。獲得的經驗將被納入這些書籍。

3.2 - 2013-2016 年的工作

2013 年的工作重點是為一個擁有數百人的可持續社群設計一個單一方案。目標是從成熟的社群工廠及其生產的產品中滿足他們 85% 的物質需求。其餘需求將透過外部來源滿足。85% 被認為是第一代設計的一個合理目標。該設計研究已歸檔在專案工作簿的第 2.3.2.9 節 A和本書第 9.0 章的筆記中。

透過對該研究結果的分析，我們確定了四個不同的設計示例，它們在成熟後具有不同的應用。其中第一個，個人生產，與原始研究相關，但更多地關注早期階段以及如何引導專案啟動。它在本書第 5 章中進行了描述。另外三個是Makernet（第 6 章），它是一個分佈在多個地點的生產網路；工業生產（第 7 章），它研究從小型裝置發展到大型生產的方案；以及偏遠和惡劣地區（第 8 章），它研究為遠離發達地區、居住條件較差或兩者兼而有之的區域提供啟動資金和小型裝置的方案。

所有四個示例目前都處於不完整狀態。透過進行幾種不同的設計，我們希望能夠演化出通用的設計原則和方法。它還應表明不同的最終目標如何影響開始時要做什麼，以及哪些領域需要更多研究和技術改進。

除了具體的示例設計外，我們還開始開發設計過程的工具。其中之一是資源模型和流程網路。它跟蹤外部來源的輸入和輸出，以及工廠各個要素之間的輸入和輸出，以及產品的終端使用者。這樣可以確保所有資源都被計算在內，並且工廠裝置尺寸合適。透過將成熟的工廠視為產品輸出的一部分，您就可以回溯到找到一個引導到選定終點的啟動裝置。我們希望將傳統的工程設計方法與我們開發的任何新方法（例如資源模型）結合起來。

2014 年花在了為西南亞特蘭大都會區尋找、購買和開始建立一個研發場所上。該房產佔地近 3 英畝，並附帶一些現有的建築物，足以開始工作。如果專案超出了這個空間，該地區還有許多工業建築和未開發的土地。2015 年主要用於專案規劃、高階系統工程、建立辦公室和整理專案技術檔案。

從那時起，我們投入了大量精力來構建一個技術參考庫。這樣做一部分是為了讓除我們自己以外的人獲得啟動自己專案的知識和技能。它還收集了各種領域的大量“操作指南”和計劃。該庫已完成“1.0 版”，包含大約 15,000 個專案。

種子工廠的想法最初是用來讓大規模太空專案可行的，這仍然是最終目標。高階系統工作導致了一份關於將文明擴充套件到地球以外的報告，將其作為一項關鍵技術。該工作的一個重要成果是確定了一個專案階段的邏輯順序，從家庭/業餘愛好規模的生產開始。每個階段都可以生產用於下一階段的裝置，如果做得足夠遠，就可以擴充套件到整個太陽系乃至更遠的地方。在 2016 年，我們開始將該計劃整合到這兩卷書中，本書中描述了早期的階段，而第二卷則描述了後期的與太空相關的階段。

3.3 - 2017 年至今

我們繼續開發這兩本線上書籍，以及相關專案資料，這些資料大多可以在上面連結的專案工作簿中找到。同時，我們還在繼續開發我們的研發站點，計劃建立一個生產合作社作為第一個示例的示範，組建技術團隊，並與其他團隊和專案合作。我們已經開始與當地的創客空間合作，他們已經擁有完善的車間，但 COVID-19 大流行及其造成的經濟問題暫時停止了外部活動。

4.0 - 問題和計劃

自我改進並不新鮮。生態系統、文明和人在他們生命過程中的長久時間裡一直在自我改進。然而，有目的地設計用於自我改進的技術系統是一個相對較新的想法，作為一種組織生產的方式，它大多沒有被嘗試過。您目前還不能購買現成的啟動裝置或獲得它們的設計圖紙和說明，而且有效的示例也還不存在。因此，關於如何設計、構建和執行它們，還存在一些未解決的問題。我們在這裡收集了一些問題，以激發思考和進一步的工作。其他需要研究的問題和主題貫穿這兩本書和我們的專案筆記。

解決這些問題的一種方法是為我們的專案制定一個研發計劃，我們將在下面開始進行。但未知數比我們能夠在小型專案或兩本書及其支援資料中合理預期覆蓋的要多。一個自動化的種子工廠將是一個涉及多個工程領域的複雜設計。因此，我們邀請其他人參與這項工作。我們希望藉助您的知識、經驗和創造力，我們將這種系統引入實際應用領域。

4.1 - 開放性問題

可行性

現有技術是否足以滿足自我擴充套件、迴圈利用和自動化的預期目標？

-- 如果沒有，需要哪些新技術或改進？

設計

特定啟動裝置中應該包含哪些內容，以及應該按照什麼順序新增新裝置？

-- 啟動裝置和發展路徑如何取決於成熟系統的規模和產品型別？

-- 啟動裝置和發展路徑如何取決於特定地點的資源和環境？

-- 在使用通用裝置和附件與使用更專業和專用單元之間，何時是更好的選擇？

增長

提高自我生產（封閉）和自動化百分比的最佳路徑是什麼？
提高總生產能力的最快方法是什麼？
啟動裝置的複雜性、物理規模、初始成本和增長率之間存在哪些關係？

經濟和社會問題

純粹從財務角度而言，自擴充套件系統與傳統工廠在資本和生產成本方面相比如何？
與傳統的專業工廠相比，種子工廠方法是否能更好地滿足人們的物質和其他需求？
生產能力應該如何分配到內部維護和增長、所有者的輸出以及銷售的產品？
自我所有制、學習新技能和減少對傳統工作的需求會帶來哪些社會影響？
如何組織專案以避免加劇經濟不平等？

4.2 - 研發計劃

需要大量工作來回答上述問題，並將完成的設計和有效的示例引入現實。這類工作通常被稱為研究與開發 (R&D)，並且必須在系統生命週期中的後期階段（如製造和運營）之前邏輯地進行。自我改進系統的設計可能非常複雜，因此我們採用系統工程方法，這些方法是為處理整個生命週期中此類複雜系統而開發的。這包括工作的研發部分。

上面第 1.0 節中提到的用於自我改進系統的概念和功能組合是新的。但是構成此類系統的許多元素，例如所使用的生產流程，則不是新的，並且有著悠久的歷史。那些新的元素首先需要探索、選擇和測試。將一項新技術從最初的想法發展到準備好廣泛使用，是研發過程的一部分。

一項技術在該過程中的位置可以透過技術就緒等級量表來衡量。在運營系統中使用一項技術之前，它需要達到足夠的技術就緒等級。還需要進一步工作將現有元素和新元素整合到一個連貫的系統中，這是一個稱為系統整合的過程。

還需要工作來證明自我改進的潛在優勢實際上是真實的，有多大，以及在什麼情況下。證明的早期步驟包括初步設計、數學模型和模擬。之後是構建原型並對其進行測試，這個過程稱為系統驗證。

作為研發工作的開始，我們可以確定上面第 2.0 節中識別的領域中知識和經驗的現狀。我們還可以檢視相關專案和技術中取得的進展。透過將現有知識和當前工作與我們提出的系統所需內容進行比較，我們可以開始制定計劃來填補差距。

在開始時，我們並不知道我們不知道的一切。在概念探索、設計甚至測試和運營的後期階段，還會出現額外的研發需求。例如，我們可能會發現原型測試中的缺陷，這需要對特定技術進行進一步改進。因此，在這一點上，我們只能開始研發計劃，並預計計劃會持續演變。

4.3 - 研發流程和已確定任務

儘管我們對自我改進系統的理解不完整，但我們認為我們已經瞭解得足夠多，可以開始針對特定目的進行研究和開發設計。我們可以對每個系統應用程式遵循類似的研發流程，儘可能重複使用特定技術和設計。這項工作可以分為適用於不同系統的通用研發，以及針對特定應用和示例的任務。

以下任務列表包含了我們目前已識別的內容。它只是初步的，隨著更多人參與到概念中，開發新想法，並更好地理解需要完成的任務，它需要進行廣泛的修改。

4.3.1 - 通用研發任務：

(1) 繼續概念性工作 - 這包括以下組成部分任務

確定自擴充套件整合系統關鍵引數和公式，以便對其進行建模和最佳化。
將自動化、機器人技術、軟體、人工智慧和其他相關領域的最新技術與這類系統中所需的技術進行比較。這既可以確定可行性，也可以定義需要進一步研究和開發的領域。
收集他人開發的設計和概念，以檢視它們是否適用或是否可以進行改編。
以更詳細的方式完善示例應用，以整合上述自擴充套件和其他概念，驗證其可行性，並估計其成本和經濟效益。

(2) 元件研究

如果確定需要新的或修改後的技術，則此任務涵蓋技術開發。它包括理論概念、分析設計以及實驗室和元件級測試。一旦經過充分測試，該技術就可以新增到可用產品組合中，用於對完整系統元素進行詳細設計和原型製作。元件級工作可以在任何地方作為開源協作進行。

(3) 持續工作

在開發出初始原型後，可以將它們轉入一個由所有者和運營商參與的執行專案中。這樣的專案將證明整個系統按預期執行，並滿足最初的設計目標。來自實際使用的反饋將有助於設計改進和升級，以及後代版本。

研發工作將與運營使用同時進行，原因有以下幾點。首先，不太可能在一開始就開發出理想的設計。其次，除了最初的專案之外，其他地點和產品可能需要修改後的設計和更多測試。第三，技術本身不會停滯不前。最後，一組最初的專案型別並不能涵蓋所有可能需要的裝置型別。

持續工作將開發升級和新設計，並在準備好時將其反饋給現有和新專案。不同型別地點的原型要麼在這些地點建造，要麼在現有設施中建造，然後交付。使用最初的原型來幫助建造後來的裝置可以證明設計的擴充套件能力。

4.3.2 - 研發地點的研發

開展研發工作的場所也需要進行設計。這包括辦公室、實驗室、原型生產區域和測試場地。在某些情況下，可以使用現有的設施和裝置，但在其他情況下，則需要進行修改，或需要獨特的設計，例如用於特殊測試室。此標題下的許多子任務還有待確定，但我們可以確定以下內容

建造傳統車間 - 用於製造定製原型元素。在更合理的情況下，這些元素可以在其他地方生產，然後交付和組裝。
建造原型測試區域 - 一旦原型組裝完成，就必須透過執行對其進行測試。這需要一個合適的地方來進行測試，無論是在室內還是室外。

4.3.3 - 個人生產的研發

此任務包括針對第一個設計示例（個人生產）的特定工作。

初步設計 - 此步驟將概念級設計轉換為尺寸和配置元素，這些元素已準備好進行最終圖紙準備。例如，對於工廠中的機床，初步設計級別將指定主要部件的尺寸、功率等級、精度，並提供佈局圖紙。對於軟體，初步設計將確定主要功能、輸入和輸出，以及它們之間的關係。

建造原型 - 這包括設計原型元素，為其設定生產和測試區域，以及實際製造和測試原型。工廠元素的小規模原型可以在分散式地點建造。最終，大型原型或將多個工廠流程連結到一個完整的系統將需要一個專門的固定地點。對於收集可再生能源和種植有機材料來說尤其如此，這需要大量的土地面積。該專案可以與其他研發機構、非營利組織等已經擁有設施的機構合作，如果這樣做可以更容易地取得進展。該專案中獲得的任何知識和經驗隨後將被傳播出去，以造福大眾。更詳細的步驟包括

設計原型硬體 -
設計原型軟體 -
製造和組裝原型硬體 -
測試原型 -

4.3.4 - MakerNet 的研發

這包括針對第二個設計示例的特定工作。此研發活動和以下研發活動將遵循與個人生產類似的模式。

4.3.5 - 工業生產的研發

這包括針對第三個設計示例的特定工作。

4.3.6 - 偏遠和困難地點的研發

這包括針對第四個設計示例的特定工作。