第 3.0 章 - 设计元素

 工程作为整体，是将知识应用于设计、建造和运行满足特定目标的系统。设计好的自我改进系统除了其自身的目标外，还具有通过内部行动改进的目标。因此，它们属于工程系统的范围。种子工厂及其成长为成熟的工厂，是一种自我改进系统。因此，工程也适用于它们。

 在之前的章节中，我们介绍了自我改进和种子工厂的一般概念，作为解决当前和未来问题、构建更美好的生活和满足我们需求的方式。在本章中，我们将介绍这些系统相关的设计元素和特征。其中包括一些新概念、想法、度量和方法。在下一章，4.0 设计流程，我们将把它们与更传统的工程方法结合到一个整合的流程中。

 请注意，这两章中描述的系统工程适用于复杂项目，涉及多个人和新设计。如果你想用常见的设备建立一个家庭工作室，那么这已经做过很多次了。你可以参考第 5.5 章中的参考资料和工具清单。只要稍微计划一下，并布置好工作室空间，你就可以很快地开始搭建。

1.0 - 广义自我提升

 

 自我复制，作为应用于技术系统的概念，是在 1950 年代及以后发展起来的。它借鉴了生物学中的细胞机制、软件中的数据处理以及使用自动化和机器人的制造方法。在机器形式中，它是一个生产系统，可以制造出与原始系统几乎完全相同的直接副本。对于太空项目，它最初被设想为自主的，无需人工操作或外部供应。这是由于将两者运送到这些偏远地区的困难。

 这些书籍中描述的自我改进概念比自我复制更广义。它将复制视为一种特殊情况，仅限于直接增加副本数量，而不改变其他特征。制造间接副本是一种更通用的方法：一个启动集用于添加原始集中没有的新项目。扩展后的集合被重复用于制造额外的项目，这个过程称为递归。在某个时刻，扩展后的集合可以制造原始集合的副本。

 一旦允许添加新项目，变化和进化就成为可能。在扩展过程中制造的项目集合每次都会有所不同。最终的副本在功能上可能是等效的，能够进行一系列进一步的副本。但每一代都可以在质量、大小和其他特征上进化。一个自我改进系统也可以通过从制造更多启动集来实现进化。通过添加不同的项目集合，它可以适应其他任务，并具有新的目标。

 更通用的方法也允许人们成为系统的一部分，以及根据需要从外部获取零件、材料、工具、机器、能量和其他物品。包含人员和供应使系统能够从更少的项目开始工作，远在它能够自我复制之前。理论上，先进的自我改进系统仍然可以完全自动化和自给自足，无论是从一开始还是通过进化到这一点。它只需要当地的原材料和能源来源才能运行。但是，这种系统设计起来要困难得多，因此我们并不需要它在一般情况下。在大多数情况下，包含人员并从外部获取一些物品会更容易、更简单。

2.0 - 附加功能

 

 自我改进和制造副本并不是这些系统的唯一目标。相反，它们是实现其他目标的手段，例如制造有用的产品来改善我们的生活质量，并满足人类的需求和愿望。为了实现这些目标，我们将在其设计中包含以下功能中的部分或全部功能

• 它们可以将部分商品和服务输出用于内部增长。剩余部分用于其他目的，例如出售以获得收入或由系统所有者直接使用。用于内部增长的百分比可以随着时间的推移而变化。

• 它们可以使用启动集，将初始规模、复杂性或成本降至最低，或者将增长率最大化。后期的改进可以强调其他目标，例如效率或输出的多样性。

• 它们可以通过向启动集中添加新的和不同的设备来实现多样化。添加的设备可以实现新的产品和流程，进而可以带来进一步的多样化。

• 它们可以通过制造现有设备的更大或更小版本来实现规模化。一个价格合理的 小型启动集可以扩展到更大的工业能力。

• 这些系统可以复制其自身零件的任何百分比，从 0 到 100%。无法在内部制造的任何物品都从外部供应。生产输出可以出售或交易以换取材料和它们无法在内部生产的难以制造的物品。自我复制的百分比可以随着时间的推移而变化。

• 它们可以将人员的劳动和自动化混合使用，从 0 到 100%，并且混合比例可以随着时间而变化。高度自动化对生产力有利，但应在合理且负担得起的情况下使用。极端程度的自动化很可能会很昂贵，而且很难设计。劳动力和运营控制可以在现场提供，也可以通过现代通信远程提供。

• 自我改进系统不限于单个物理站点。单个站点使某些任务更容易，但现代交通运输、通信和控制系统能够建立分布式运营网络。完全在一个地方建造的工厂是设计选择，而不是假设或规则。

• 这些系统可以使用模块化和增量设计。模块使用规则的间距和标准连接器，以便更轻松地进行更改。增量意味着你不需要从所有设备开始，甚至不需要设计它们。可以根据需要进行单个更改和升级。

• 它们可以使用新的设计和运营方法来管理一个复杂而不断发展的系统。一种是材料和能源资源核算，以平衡系统内的流量，并记录系统外部的来源和副作用。另一种是流程编译器，可以自动化面对不断变化的系统的规划。

3.0 - 系统度量

 

 如果我们想要一个能够自我改进的系统，我们必须了解什么是改进，而不是恶化。我们还希望规划、设计、计算、优化和度量这些改进。在自然界中，像氧化事件这样的变化本身并没有好坏之分。这对使用氧气的生物是有益的，而对不使用氧气的生物是有害的。它也具有使矿物类型多样化的副作用。因此，变化是好是坏取决于谁和什么受到影响。对于人来说，可以是个人，也可以是更大的群体。在最近几十年中，我们也必须考虑变化对我们周围环境的影响。

 在工程领域以及它们所基于的科学和数学领域，我们使用度量来更好地理解和设计事物。一个简单的物体，比如一块砖块，可以通过大小和重量等物理量进行测量。这些测量结果可以用来计算建造一堵墙需要多少块砖，或者墙的重量是多少。类似地，对于一个复杂的系统，比如一个自我升级的工厂，我们希望有一些有用的测量值来进行计算或比较一种设计与另一种设计。一个尺寸测量，例如砖块的 25 厘米，包含两个部分，一个数量 (25) 和一个度量单位 (厘米)。我们的系统度量也将包含数量和相关的单位。

 然后，一套度量可以用来判断一个变化是好是坏。但是，并非所有特征和度量都是客观的。人类的愿望，而不是需求，是主观的。它们可以在不同的人之间变化，即使是同一个人在不同时间也会变化。我们可以询问人们他们想要什么，但也要记住他们意见的多样性。因此，自我改进系统的设计及其所产生的输出应该允许多样性和变化，而不是将所有人固定在单一的解决方案上。

 到目前为止，在我们的工作中，我们已经确定了以下度量，我们将其分为不同的类别。这些度量是除了重量和功率输出等标准工程度量之外的度量

3.1 - 自我扩展度量

 

 种子工厂和其他自完善系统的一个关键特征是通过复制、多元化和扩展等方法实现自我增长。因此，一组有用的指标是衡量它们能够增长的程度。

闭包

 一个理想的自复制工厂能够复制其所有自身部件，并制造出有用的产品。人类制造的系统并非完美，因此我们希望衡量它能够复制多少自身部件。在数学中，一个闭集是指“包含对自身成员应用给定运算后获得的所有值的集合”。过去讨论复制系统时，使用术语闭包来指代工厂的输出包括其自身运行所需的所有部件。

&esmp;闭包也与“闭环”的概念相关，其中来自某个过程的输出循环回系统，成为生产投入，例如操作该过程的设备。对于复制来说，闭包只计算工厂本身。我们可以将其推广到包括工厂及其制造的产品。

 闭包比率，CR，是指工厂能够制造的输出数量，除以工厂自身使用的总数量。例如，使用工厂的零件数量作为衡量指标

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

其中N(total)是工厂制造的零件总数，N(produced)是它能够自行制造的输出零件数量。您可以通过质量、成本、零件数量、设计数据和其他变量来衡量闭包比率。因此，CR(质量) = 0.98表示该系统能够按质量生产其自身98%的零件，其余2%的零件必须从其他地方供应才能制作完整的副本。

 我们还可以衡量除工厂本身之外的最终产品的闭包，CR_ep。这是指工厂内部制造的最终产品占工厂外部供应的零件和材料的比例。例如，一家为客户组装电脑但未自行制造任何组件的本地电脑店，其产品闭包比率为0%。最后，我们可以衡量工厂及其所有产品的闭包比率，CR_all。最终产品和组合工厂+产品比率均可以通过质量、成本和其他之前提到的变量来衡量。

 计算现有工厂和产品的闭包比率是一个简单的计数或测量过程。分析未来自扩展系统在其生命周期内的潜在闭包比率更加复杂。这遵循一个逐步的过程，从最终产品反推到您开始使用的任何设备。对于全新的种子工厂项目，您从没有设备开始 - 启动套件从其他地方供应。因此，除非您从只有人力和原材料开始，否则无法达到新系统的100%闭包比率。

 第一步是确定制造最终产品所需的机器和工艺。由此，您可以确定哪些设备您尚未配备。对于缺失的设备，您可以进一步确定目前使用现有设备能够制造多少。最终，您将追溯到所有能够制造的零件和材料，或者那些您无法制造的零件和材料。内部制造量与最终产出量之比就是这些产品的闭包比率。在进行此类分析时，应考虑将一个过程中的废料在另一个过程中使用或回收。当您将工厂本身视为最终产品时，闭包比率衡量的是工厂复制自身的能力。

 一个旨在实现100%闭包的自扩展系统将拥有一个启动套件，该套件可以制造所有后续项目以及自身的副本。我们知道我们整个工业文明可以做到这一点。我们目前的所有设备都可以追溯到前几代的设备和原材料，而且我们仍然可以复制最古老和最简单的工具。原则上，一个比整个文明更小的集合，至少包含每种类型的一台机器，也应该能够完全复制自身。

 在实践中，一些工艺，例如制造计算机芯片，在少量情况下难以且昂贵。其他工艺需要稀有材料，或者很少进行，因此从经济角度来看，拥有自己的设备来完成这些工艺并不合理。之前关于这种闭环生产的少数研究发现，大约1-2%的总项目在实际操作中无法自行制造，换句话说，闭包率为98-99%。尽管如此，不得不购买或进口1-2%的零件和材料，比当前工厂的水平有了极大的改善。

输出范围

 一个有用的工厂能够制造除自身副本之外的其他输出。任何工厂的输出范围，OR，可以通过相对于工厂自身相同参数的可能输出范围来定义。因此，按质量计算的200%输出范围意味着可能输出的列表的质量是工厂的两倍。这是通过计算每种输出的一个副本来计算的。大多数工厂旨在生产产品的多个副本，但这衡量的是总产量，而不是产品种类方面的范围。对于像钢板卷材这样的连续生产材料，一个副本是可以交付的负载。与闭包一样，输出范围可以用质量、成本、零件数量、设计数据和其他参数来衡量。

 当输出范围包含工厂自身的一些零件时，则按质量计算的OR可以表示为

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

其中OR(质量)是总输出范围的质量，CR(质量)是按质量计算的闭包比率，即它能够输出的自身零件的质量，EP(质量)是它能够制造的所有其他最终产品的质量。不制造任何自身零件的传统工厂将拥有CR(质量) = 0，并且EP(质量) > 0。尽管传统工厂的闭包比率往往很低，但通常并不为零。例如，水泥厂和钢铁厂通常在其建设中使用一些水泥和钢铁，而电子工厂通常在其自身运营中使用一些电子元件。种子工厂只是有意设计成具有更高的闭包水平。

 传统工厂的输出范围可能相当低。例如，汽车的质量远小于生产它的汽车装配厂的质量。半导体工厂的规模远大于它生产的芯片。这通常是高度专业化和大规模生产以牺牲产品灵活性为代价的结果。拥有可编程智能工具的自扩展工厂更能改变其输出，通过更改要制造的零件的软件文件，然后组装成产品。因此，它们能够达到更高的输出范围。

扩展范围

 输出范围是指工厂能够制造的所有输出。扩展范围，ER，是指可用于扩展工厂的输出集合，相对于其制造的集合。因此，如果工厂使用8个生产过程，并且可以生产4个新过程的零件，则其按过程数量计算的扩展范围为50%。扩展范围的度量可以采用质量、零件数量、所用材料数量或其他数量，除了过程数量之外。例如，我们可以写出公式

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

其中ER(零件)是按零件数量计算的扩展范围，N(扩展零件)是扩展工厂所需的零件数量，N(工厂零件)是当前工厂的零件数量。一个能够复制所有自身零件但不能制造不同设备的任何新零件的工厂，其CR(零件) = 100%且ER(零件) = 0%。这在现实世界中不太可能发生，但目前我们只是试图解释这些指标的类型。

 扩展范围会随着自扩展工厂的增长而变化。它可能在种子阶段很低，因为只有少数启动机器可用，并且只能生产少数类型的新品种。然后它可能会随着工厂的增长而增加，因为它能够制造更多类型的材料和零件，并在它达到其能够使用材料和工艺类型的实际限制时再次下降。扩展范围在不断增长的工厂中如何变化是一个新的研究领域，目前还没有得到很好的理解。

 整个文明的CR > 100%，而ER > 0%。每件现有的生产设备都是在某个地方制造的，因此只需以相同的方式再制造一个就能复制。因此，文明能够复制其所有零件。随着时间的推移，不断增长的产品范围表明，现有设备可以制造以前不存在的新设备。这通过实例证明了高闭包率和扩展率是可能的。种子工厂的设计挑战是，用比整个文明更小的启动套件达到高水平。

3.2 - 生产指标

 

 与任何工厂一样，我们希望这些书中的工厂能够生产出有用的产品。因此，另一套指标是基于产出数量和速率。如果一个给定的工厂元素可以生产 50 公斤的产出，那么 50 公斤就是一个绝对单位的生产量，在公式中用 P 表示。

 生产比率 (PR) 是产出量除以工厂元素或整个工厂的相同指标的度量。因此，产出物的总质量除以工厂元素的质量就得到了生产质量比率 PR(mass)。根据系统中哪些特征很重要，可以测量许多这样的比率。

 比率是简单的数字或分数。用绝对单位除以时间就得到了生产速率 P/t，例如 50 公斤/小时。通过将时间单位添加到生产比率中，它也变成了一个速率。因此，如果系统每年生产出三倍于自身质量的产出，那么产出质量速率 PR(mass)/t 就是 3.0/年。

  相对生产比率可以通过将自我扩展的设计与非扩展和非自动化工厂进行比较来定义。例如，如果一家传统工厂需要购买所有零件和准备好的材料，而我们成熟的自动化工厂只需要购买 2%，并从原材料和能源中内部制造 98%，那么相对生产比率是 100%/2% = 50 倍，比购买所有物品高出 50 倍。

 相对成本比率是自我改进设计与传统设计的生产总成本。这包括以下因素的影响：

•  更低的资本成本，因为工厂部分是自己建造的，
•  更低的零件和材料成本，因为购买的成品更少，材料更接近于更便宜的原材料状态，
•  由于自动化程度提高以及生产步骤之间的自动化转移，劳动力成本降低，
•  由于任务集中在一个地方而降低了间接费用。这来自于消除生产链中的中间阶段，以及它们在运输、会计和利润率方面的水平，最后
•  来自集成操作的节省，当原本是某一过程的废料或废物可以作为另一过程的投入时。

 当然，成本不会降至零。土地、原材料、用于运营和管理工厂和设计产品的劳动力以及其他成本仍然存在。然而，如果上述成本降低因素足够大，这将为追求自我改进设计而不是传统设计提供一个主要理由。

3.3 - 增长指标

 

 人们经常关心的一个指标是工厂的增长或自我复制速度。通常，这表示为增长量除以原始尺寸，再除以时间间隔，或G/t，以每年百分比表示。表达增长率的另一种方法是倍增时间 - 工厂规模翻一番所需的时间。

 增长率受到工厂中最慢的流程的限制。因此，设计良好的工厂将平衡其各部分的尺寸和速度，以便任何部分都不相对于其他部分过慢。由于工厂需要能量才能运行，因此这通常是限制增长率的因素之一。例如，我们可以估算一个简化工厂模型所需的能量量和增长率。

体现能量是指从原材料到最终安装完成，在制造一件物品过程中使用的总能量。据说这种能量“体现”在最终产品中，尽管其中大部分能量实际上是在其他地方使用的。  对于我们的简化工厂模型，我们将假设工厂面积的平均每平方米包括 10 厘米的碎石、20 厘米的混凝土基础板，以及相当于 30 厘米的钢材，用于工厂设备和包含它们的建筑物。实际的设备和建筑物的高度将比这高，但为了计算体现能量，我们可以将其视为一块具有给定厚度的金属板。  然后，根据材料密度，我们得到 140 公斤的碎石、480 公斤的混凝土和 2340 公斤的钢材。这些材料的体现能量分别为 0.083、1.14 和 10 兆焦耳/公斤，可以从参考资料如碳和能源清单（电子表格，v2.0，2011）中找到。将每种材料的质量/面积乘以能量/质量，然后相加，我们得到每平方米 11.6 + 547.2 + 23,400 = 23,958.6 兆焦耳。我们将其四舍五入为 24,000 兆焦耳/平方米，作为生产我们简单模型工厂所需的能量。  假设工厂由热能和光伏太阳能收集器以 50/50 的比例混合供电，位于平均气候条件下。其中一半提供每天 4 小时的热能，功率为 850 瓦/平方米，另一半提供每天 4 小时的电能，功率为 160 瓦/平方米。如果它们的总收集面积是工厂地面面积的 3 倍，那么它们每天将产生 21.82 兆焦耳/平方米的工厂地面面积。  将生产模型工厂所需的能量除以这个数字，得到 1100 天才能产生足以复制工厂的能量。我们需要加上 175 天来计算制造太阳能收集器所需的能量。这样一来，生产足够的能量来复制工厂和电源供应所需的总时间为 1275 天，即 3.5 年。这相当于每年 22% 的增长率。实际上，我们的工厂会比我们简单的三层示例更复杂，除了能量之外，还有其他因素可能会限制增长率。

 太阳能收集器每单位面积所需的时间更少，才能产生自己的体现能量。这是因为它们所需的材料比建造工厂所需的约 3,000 公斤/平方米少得多。因此，电源与工厂其他部分的比例越高，倍增时间就越短，直到其他因素限制了增长率为止。工厂机器的运行速度更快，以及更高的占空比也可以缩短倍增时间并提高增长率。但是，这也会增加设备磨损，可能需要更坚固，因此更重的设备。

 地球未来的增长率可能存在一些实际的限制。地球上的不同地点可再生能源的可用性不同。受地点限制较小的非化石能源，如核能，其产量可能与建造过程中的体现能量相比并不高。化石能源的能量输出相当高，但由于其副作用而不可取。工厂设备的运行速度和强度也有限度。

 在地球之外，在避开大型天体阴影的轨道上，阳光可以 100% 的时间照射。由于没有大气吸收，阳光也强 36%。因此，与地面位置相比，太空中可用的能量高 4-10 倍。生产过程可能更快或更轻，因为设备不必承受重力，真空是一个很好的绝缘体，而深空是一个无限的热沉。因此，增长率可能非常高。要研究这种潜力，还需要做很多工作。

 增长比率 - 我们可以将成熟工厂与启动装置的各种比率描述为增长比率 (GR)。其中最简单的是物理尺寸的比率。成熟工厂的质量或地面面积可以相对于启动工厂进行衡量。因此，一个地面面积是启动装置 10 倍的成熟工厂将具有 GR(面积) = 10。复杂性的度量可以计算成熟装置与启动装置中的流程或设备类型数量，或者查看它们的设计相关数据，包括计算机文件、图纸数量或制造设备的生产步骤数量。显然，启动装置需要 GR > 1.0 才能增长。

3.4 - 效率指标

 

 传统的工程效率指标是有用输出除以总能量输入，通常以百分比表示。这适用于查看孤立的特定过程或设备。对于一个将一个过程的废物作为另一个过程的输入并回收材料的集成工厂，我们想要查看整个工厂的系统总效率。

 当一个生产系统生产部分或全部自己的能量时，能量回报率 (EROEI) 的比率可能是一个有用的指标。回报能量包括作为能量交付给外部用户的能量，以及产品中体现的能量。投入能量是来自外部来源的能量加上设备、零件和材料投入的体现能量，其中两种投入都用于建造和运营工厂。

 传统的工程效率和回报率考察的是总投入。我们还可以考察可再生能源效率 REE，因为我们对生产的可持续性感兴趣。这个指标是指可再生能源，既作为直接能量输入，也作为体现形式的输入，除以两种形式的总输出。如果未使用任何可再生能源，则 REE = 0%。理论上，所有能量都可以来自可再生能源，所有材料都可以回收或来自可再生能源，从而得到 REE = 100%。实际上，在实际系统中，这个指标将小于 100%。

 没有哪种能源来源是真正可再生的 - 熵是一个单向过程。当我们使用这个术语时，我们指的是该来源在人类和文明的时间尺度上得到补充。例如，风力涡轮机吸收风中的一部分能量并将其转换为电能，但明天将会有更多风。地热能起源于地球内部的放射性衰变。特定电厂可能会消耗某个地点的热量，但最终将有更多热量从更深的地层迁移过来。