第 1.0 章 - 导言
在工程学中，一个系统是一组相关元素，根据规则协同工作以形成整体。系统是具有边界、被环境包围的独立实体。它们被定义用于理解、分析、设计和改进等目的。系统可以包括人以及任何其他类型的元素。
系统具有诸如生活质量、规模、排放和输出速率等感兴趣的特征。它们朝着期望方向的变化被认为是改进。自我改进是指系统内部行为产生的变化。它在历史上以许多方式发生，例如生命的进化和文明的发展。
纵观历史，城市等大型系统一直在增长，并对其自身进行了重大改进。但从一开始就针对增长和自我改进进行有意设计的情况很少见。从一开始就设计以避免环境破坏和污染等副作用更为罕见。因此，这些卷主要面向未来，描述了以前从未做过的那类项目。这与土木工程等成熟领域形成对比，在这些领域，有许多过去建设项目的例子，也有许多具有开发技能和经验的人员。
请注意，本套书中的两卷都是未完工的进行时工作。它们展示了我们迄今为止所做的事情，但远未完成。章节分为编号的网页，网页又分为多个部分和子部分，以便于交叉引用。
在本卷中，我们考虑了一般性的自我改进，以及一个名为种子工厂的特定示例。这是一个系统，具有故意设计为通过重复过程改进的设备起始集。
工厂的一部分产能用于为工厂本身制造更多或更好的设备。剩余的产能用于制造有用的产品，就像任何其他工厂一样。用于自我改进的比例可以随着时间的推移而变化，这取决于工厂运营商选择的目标。增加的设备增加了制造下一轮设备并进一步改进的能力。随着您添加更多设备，产量会增加。因此，如果将相当一部分产能用于改进，那么总产能就可以呈指数级增长。这个想法很重要，因为文明面临着许多只有通过大规模解决方案才能解决的大规模问题。呈指数级增长的系统可以提供必要的规模。
本章（1.0）介绍了一些问题，如何使用系统工程方法开发解决方案，以及我们将稍后详细介绍的一些自我改进设计的示例。
第 2 章回顾了自然界和人类文明中自我改进的历史，以及这些如何导致我们面临的问题。然后我们考察自我改进作为一种理念。它与进步和经济发展等其他理念密切相关。更近一些，自我复制系统等理念以及计算机和自动化等技术导致了种子工厂作为自我改进的一个实例的概念。这仍然是一个相当新的方法，因此第 2 章以我们尚未了解的内容和进一步研究的领域结束。
如果新系统要解决当前问题，而不是作为结果制造新的问题，则需要在构建和运行它们之前仔细规划和设计。工程学已经是一个成熟的领域，因此我们不会涵盖所有已有的内容。相反，接下来的两章将从技术工程的角度涵盖我们方法中的新内容。
第 3 章介绍了在设计过程中要包含的新设计元素。这包括种子工厂理念的现状、构成它的各个部分以及系统设计的参考架构。
第 4 章讨论了设计过程本身。一个不断增长和改进的系统很复杂。因此，我们应用了“系统工程”方法，该方法是专门为处理此类复杂项目而开发的。一个完整的系统不仅仅包括工厂设备，但如果它旨在增长和自我改进，它将使用许多生产过程和设备类型。因此，我们提供了一个包含许多可用选项的参考列表，作为设计过程的输入。
第 5 章到第 8 章是一系列地球上使用的设计示例。这个系列的联系在于，一个示例可以发展成为或产生以后示例的起始集。这些示例旨在展示如何开发设计，并作为构建和运行它们的参考。
本卷的最后一章（9.0）是一组过于新颖或不适合主要讨论的笔记。它也充当我们项目数据库的一部分。
与地球相比，空间的环境、资源和距离截然不同。此外，太空中的物体都处于相对运动中。因此，第二卷从适用于太空项目的相关科学和工程方法开始。然后，我们继续进行一系列针对各个太空地点的设计示例。对于每个地点，我们涵盖了将影响系统设计的当地条件和资源。
太空项目通常按从最近到最远以及从容易到难的顺序排列。最近的优先，因为第一批人和设备必须来自地球。随后更难的地区将依次获得来自地球和先前太空项目的支持。
这些是面向工程学的书籍。一般而言，工程学涉及将知识应用于有用的目的，例如满足人们的需求、解决问题或改善生活。如果种子工厂不仅仅是一个有趣的想法，那么应该以这些有用的目的为目标来开发它们。在这里，我们确定了文明当前和未来面临的一些问题。这绝不是一份完整清单。相反，它们是我们认为值得解决的问题，可以通过技术解决方案来解决。这些书中的想法和方法可以与这些问题一起应用。
- 发展不足
许多人居住的地方，相对于像大型高收入城市这样的高度发达地区，文明的文物和系统以及它们带来的好处要少得多。即使是在最发达地区，也很难找到对当前状况完全满意的人。他们通常可以列出许多他们想改进的事情，如果他们有更多的时间、金钱或其他资源。对改进的渴望并不少见。缺乏的是实现这些改进的手段。这在困难或恶劣的环境中尤其如此，在这些环境中，额外所需的工作使其几乎或完全未得到发展。
除了发展不平衡外，即使是最发达地区也存在资源分配不均。那些拥有最少资源的人过着不稳定的生活，任何不利事件都会严重影响他们的生活。因此，除了总体发展之外，我们还希望提供备用系统、储备和其他缓冲，以抵御不利事件。
- 恶化的环境
健康的環境是我们在地球上生存的必要條件。但是，我们当前文明的副作用导致了恶化。可能最紧迫的环境问题是二氧化碳 (CO2) 过量导致气候变化。其他问题包括森林砍伐、荒漠化、物种灭绝以及各种污染，例如空气中的颗粒物和微塑料。在未来，我们希望最大程度地减少、消除或扭转这些副作用以及它们造成的恶化变化。
- 技术性失业
近几个世纪以来，人工劳动力被动力设备取代的速度越来越快。这导致了从农业（曾经是人们的主要活动）转向制造业和服务业。持续改进减少了制造业劳动力，以至于服务业现在已成为发达地区的主要活动。自 20 世纪中叶以来，自动化、机器人技术、软件和人工智能等技术使“智能工具”成为可能。这些工具越来越能够独立工作，取代了大部分剩余劳动力。
我们现代的经济体系建立在人们用自己的专业技能换取金钱，然后用金钱购买他们需要和想要的其他东西的基础上。如果大多数劳动力可以被更智能的工具所取代，我们就会面临技术性失业的问题。失业者将无法再购买他们需要的东西，而仍然有工作的人会失去他们作为客户。以工作换取金钱，再用金钱换取其他商品的体系就会崩溃。
这还不是一个严重的问题。纵观历史，从一种工作中被取代的人们总能找到其他事情做。但是，近年来智能工具的进步威胁到在短时间内取代运输、配送和零售等领域的许多工作。被取代的工人可能无法在其他领域找到新的工作。在这些潜在问题变得严重并导致大规模失业之前，值得思考如何应对这些问题。
我们的文明，以及组成它的各个部分，都是非常复杂的系统。20 世纪发展了一种称为系统工程的方法来处理此类系统。我们建议使用它来解决上述问题。系统方法首先定义一个或多个系统旨在满足的未满足需求。对于现有系统，这是指需要进行哪些改变。在考虑任何设计或解决方案之前，首先要确定想要什么。在说明问题之前就想到答案，会导致过早地限制对所有选项的考虑。目标也不应该局限于现在认为可能实现的目标。部分地实现目标，并确定实现剩余目标所需的哪些研究或改进，比限制我们的目标并止步不前更好。
我们上面已经以一般的方式确定了一些问题。为了采用系统方法，我们需要更精确地说明我们想要什么。这样，我们就可以衡量提出的设计或解决方案在多大程度上满足了目标，哪些更好，哪些更差，以及改进的方向。我们将从这里开始这个过程，并在后面的章节中继续。由于文明已经存在，这些陈述是关于变化的。目标陈述（以粗体显示）后面是一些解释。
- (1) 在充分了解其选择的情况下，将文明中较不发达的部分提升到 [待定] 水平的满意度，并通过 [待定] 提高发达地区的满意度，并提供应对不利事件的手段。 - 待定表示“待确定”。我们还没有定义如何衡量满意度水平。我们知道我们想要某种衡量方法，因此我们使用 [待定] 作为占位符，以便在以后的工作中填充。大量人口缺乏教育和信息，不知道如果他们拥有这些知识，他们会想要什么。向他们提供这些知识，以便他们可以做出选择，是目标的一部分。如果发生不好的事情，对现状的满意度是不够的，因此我们也希望能够应对逆境。
- (2) 通过 [待定] 百分比逆转人为环境问题，同时尽量减少副作用。在最大程度上，还要尽量减少自然风险。 - 所有人类活动都会产生副作用，因此我们永远无法完全消除它们。因此，目标是尽量减少副作用，并使其危害性降低。自然界也存在许多危害，例如飓风和地震。我们也无法消除这些危害，但可以减少它们造成的损失。
- (3) 避免或尽量减少未来的问题，例如技术性失业。 - 由于自动化导致的永久性失业是我们已经识别的其中一个问题。可能还有其他一些问题我们想要提前处理。目标的一部分是识别这些问题。
“系统”是指任何相互作用并与外部世界相互作用的元素集合，并执行一些可识别的功能或转换。例如，计算机系统允许您在维基教科书上阅读本文档。它包含电源、半导体芯片和软件等元素，这些元素协同工作。它与您作为读者和互联网互动，以访问此页面。如果您正在编辑此页面，您将把它从一个版本转换为另一个版本。
我们定义系统是为了帮助理解、分析、设计和改进，以及帮助实现预期目标。每个系统都有一个边界。这是一个心理上的构建，而不是墙或围栏。它将系统与系统外部的东西隔离开来。一般来说，系统的各个部分以某种方式相互关联，并执行可识别的功能。有时系统边界是自然而然的，例如飞机与飞机外部的一切。其他时候，系统边界及其内容是任意的，并且分布在多个部分和多个地方。定义它们仍然可以帮助完成项目。
各种各样的东西可以穿过系统边界，从而进入或离开系统。例如，一个工厂系统可以将原材料和电力作为输入，并将成品和各种废物作为输出。物理学告诉我们物质和能量不会自发地出现或消失，只会改变形式。因此，在数学上，系统内容的变化等于进入系统的流量减去离开系统的流量。
系统可以是任何形状或大小，并且可以包含其他更小的系统。较大的系统内的较小系统称为“子系统”，这些子系统可以反过来包含更小的子系统，直至任意深度。人类思维无法理解大型复杂系统的全部内容。因此，系统工程中的一个关键方法是将大型系统分解成更小的子系统和子子系统，直到它们足够小和足够简单，以便理解、设计、构建等。每个级别的流量仍然必须等于子系统内容的变化，因此简单的簿记可以确保在整个系统中没有遗漏或丢失任何东西。
在确定问题和设定目标之后，下一步是开始确定可以满足这些目标的潜在解决方案。在开始时，我们不知道哪种方法是最好的。因此，通常会提出或制定多个候选方案。随着时间的推移，这些方案中的大多数将被淘汰和优化，直到剩下一个或几个最佳选项。在做出最终选择之前，可能需要进行研究和测试。该过程的详细信息将在第 4 节中更详细地介绍。
这些书籍的前提是，种子工厂和自我改进系统可以成为解决上述问题的部分解决方案。然而，这需要得到证明，而不仅仅是假设。我们呈现和分析的示例将有助于实现这一点，但它们需要投入实际应用，并证明它们按预期工作。
自我改进是一个设计特性。它本身并不是一个完整的解决方案。系统设计还必须包含和借鉴工业技术、其他工程学领域以及我们积累的人类知识的其他部分的经验。这些其他主题将在适当的地方被引用和包含。
第 5 章到第 8 章描述了四种类型的自我改进生产系统。每个系统都旨在帮助解决上述问题并实现上述目标。我们通过在设计中采用特定的方法和功能来实现这一点。
第一个问题是，在现代人工制品和系统方面发展不足。原则上，可以通过生产和交付所需物品来解决这个问题。但这会带来几个次要问题。低收入地区的居民可能没有足够的资金来支付这些物品。即使这些物品是捐赠的，他们也可能没有操作和维护这些物品的技能和经验。解决这两个次要问题的办法是从种子工厂启动套件和他们自己的劳动中启动他们自己的生产。如果他们自己建造工厂，他们需要的资金就会更少，他们就可以制造他们想要的其他成品。在建造工厂和制造产品的过程中获得的经验，将使他们能够在以后操作和维护这些工厂。
在更发达的地区，仍然普遍缺乏时间、资金或资源来进行改进和提高满意度。我们对此的解决方法是使用高水平智能工具的自我改进系统。启动套件需要更少的资金，智能工具需要更少的时间来操作，生产系统可以自己生产能量并获取物质资源。由于需要更高的复杂性和技能，这些系统很可能被开发为涉及许多人的合作项目。
第二个问题是来自环境破坏和自然事件的风险。解决这个问题的开始是关于这些风险以及如何减少这些风险的教育。新的系统可以设计为包含可再生能源，避免或回收废物，减少污染，并维护自然栖息地。这些设计特征将被包含在成品和制造这些产品的生产系统中。
第三个问题是在问题变得紧急之前解决未来的问题。一项早期任务是确定除了我们已经识别的技术性失业之外，可能出现哪些问题。然后，系统方法将被用来识别解决方案或预防措施，并将它们纳入系统设计中。失业问题可以通过我们示例中的生产系统来解决。他们的所有者建造者直接获得他们产出的部分，无论这些系统自动化程度如何，或者操作这些系统需要多少劳动力。换句话说，生产系统为他们的所有者工作，因此所有者不必工作，或者可以减少工作量。
这四个例子形成了一系列相互关联的项目。贯穿这一系列项目的一种方式是通过进化。足够的改进和增长可以将一个例子转化为下一个例子。另一种方式是为之后的例子建立新的种子工厂。新的种子工厂的各个部分可以由成熟的先前工厂生产。之后的例子也可以通过从其他地方提供设备或通过内部和外部资源的混合来全新开始。无论它们如何开始，早期项目的经验及其增长路径都可以应用于之后的项目。
这些示例系统是
- 个人生产（第五章）
该例子的目标是为当地拥有者/运营商社区生产一系列基本产品，例如食物、建筑材料和公用事业。它被称为个人生产，因为他们为自身和社区中的其他人制造产品。它不像个人电脑那样只有一个拥有者。它始于一个对共同工作和传统车间工具感兴趣的人员网络。最初，生产处于业余爱好和家用规模。这使得早期成本保持在可控范围内。在此基础上，他们逐渐添加一组种子机器。组合后的机器部分用于制造更多设备，以及基本产品。
后来的设备在尺寸上进行了扩展，以增加产量，并且更加多样化，以增加产品范围。设备最终变得太大而无法由个人存放，而且个人也无力单独负担其费用。更广泛的产品范围也变得过于复杂，以至于一个人无法掌握所有必要的技能。解决方案是建造或获取更大、更专门的生产场所，并拥有具有不同技能的多个拥有者，他们共同努力制造所需的东西。
共同工作的两种方法是分布式和集中式。在分布式方法中，每个人拥有一个或几个设备。然后根据需要将生产请求分配给人员及其设备，他们各自执行其部分工作来制造产品。在这种方法中，需要一些方法来解决满足彼此需求的资源和成本。在集中式方法中，设备位于一个或几个较大的地方，并拥有共同所有权。混合方法也是可能的，部分分布式，部分集中式。
当生产超出个人需求时，该网络可以开始像商业车间一样运作，除了为当地社区生产物品之外，还可以为外部客户生产物品。在业余爱好和家用规模下，参与主要是非全职的，拥有者的主要支持来自传统工作。随着生产发展到商业水平，一些人可以过渡到全职自雇，并且他们的大部分物质需求都可以在网络内部得到满足。
- “Makernet”（第六章）
我们将地点定义为一个足够小的区域，人们可以轻松地前往现场工作，并相互交换产品。例如，一个美国大都市地区。在个人生产的例子中，一个地点可以包含多个家庭和专用场所，在那里进行工作。由于现代通信是全球性的，因此共同工作和交换物品的人员网络不必局限于一个地点。因此，我们的第二个例子将分布式方法扩展到世界不同地区的多个地点。
然后，生产地点成为通过互联网等方式进行通信的网络节点。我们称之为“Makernet”，因为该网络集体制造东西。拥有者/运营商和客户可以通过任何可用方法相互通信，包括电子方式。智能生产机器也可以直接相互通信，或由人员和软件远程控制。
长距离运输实物物品会涉及大量的成本、能源和时间。因此，Makernet 生产往往会集中在质量与重量之比较高的物品上。在高端，新机器和产品的电子设计文件没有质量，并且可以低成本地发送到任何地方。它们非常适合全球网络。而在相反的端点，用于建筑的碎石很重而且便宜。它往往局限于靠近采石场的单一地点，而不是长距离运输。
在一个完善的 Makernet 中，客户可以通过网站向网络提交产品订单。然后将生产请求路由到各个网络节点，这些节点提供材料、制造零件以及执行其他必要步骤。完成每个步骤后，付款将路由到该节点。最终，成品将交付给客户。生产节点可以包含任意数量的机器和流程。由于新机器可以由已有的节点集体制造，因此理论上一个种子工厂启动套件可以随着时间的推移扩展到世界各地。
对于节点运营商来说，现代通信使人们能够从实际设备远程工作。这在通勤成本和工作时间和地点的灵活性方面具有潜在优势。个人生产的例子是位于单个地点的当地社区。因此，很多互动可以通过面对面或语音进行。Makernet 方法强调软件和网络，人们在他们选择的时间做事情，而不是在传统工厂的上班时间表中做事情。新的启动套件往往会针对尺寸和重量进行优化，以便它们可以以合理的价格运输更远距离。
- 工业生产（第七章）
该例子的目标是大规模生产更专门的产品，非常类似于传统工厂。它始于规模较小的商业网络，如前面的例子，或者专门设计用于扩展到工业规模的启动套件。无论哪种情况，通过自我扩展来增长都应该是达到所需生产能力的一种更便宜的方式。在一个版本中，启动套件是移动的，并且用作建筑设备。它们被带到新的工业现场并开始制造零件和设备。一旦新工厂达到足够的产能，种子工厂组件就会继续进行下一个项目。在另一个版本中，一个商业规模的网络在原地增长到更大的工业规模。
单个工业现场朝着规模和效率而不是输出多样性发展。部分原因是，将所有大型设备和运营都放在一个地方变得越来越困难。启动套件和小规模生产有利于制造产品的灵活性，但以效率较低为代价。在工业规模下，单个机器可以针对其特定任务进行优化。然后更容易自动化，因为它们各自执行的操作较少。
工业规模的场地仍然可以作为网络运作，并根据需要相互制造产品。但是，更大的规模产量远远超过了原始所有者的需求，甚至超过了特定地点的一般需求。然后，他们可以直接向更广泛的市场出售产品。他们还可以向那些没有参与现场运营的人出售生产份额。生产份额使人们有权获得制造产品的份额，要么无需进一步支付，要么只需支付原材料等投入的费用。例如，一家大型自动化农场，其股东可以获得生产的一部分食物。如果内部资金不足，工业规模的场地可以使用资本市场通过传统工厂融资。
- 偏远和艰苦地区（第八章）
这本书的最后一个例子是在偏远地区或环境条件恶劣或极端的地区进行生产。在这些地方，自扩展系统的优势在于不必将所有基础设施都带到那里。相反，你带一个启动套件，并在当地生产大部分其余的东西。地球上偏远和艰苦地区的例子包括沙漠、极地地区和海洋表面。更极端的地区包括高海拔地区、冰盖、地下深处或水下。目前的文明主要占据了地球表面约 13% 的范围内 30 米以下的薄层。将其水平扩展到剩余区域，以及垂直扩展到前几米之外，将极大地增加可用空间和资源。实现这一目标的关键是可负担性，而自扩展系统可以帮助提供可负担性。
地点越艰苦、越偏远，将所有东西运输到那里的成本就越高，使用小型启动套件并在当地建造的激励就越大。高度自动化和生产力可以使人们能够在这些地方生活和工作，因为它们提供了所需的基础设施和资源。远程控制操作使人们能够在不必住在那里的情况下增加产能。例如，撒哈拉沙漠可能是制造太阳能电池板的好地方，因为有充足的阳光和沙子作为投入。但人们可能不想在那里常住。远程工作可以让人们做出这种选择。相反，如果技术使人们能够生活在偏远地区，对某些人来说这可能是可取的。由于其他人不住在那里，土地将很便宜。它可能是风景优美，或者拥有人们喜欢的其他特征。
- 太空（第二卷）
最偏远、最艰苦的地方是地球之外的太空区域。同步轨道，即许多卫星运行的地方，是地球上任何两个点之间的距离的两倍，而已知的太阳系轨道最远距离是其十倍。太空环境对人和生物来说存在一些艰苦或不利的条件。这包括缺乏可呼吸的空气和水，辐射水平高，重力低。另一方面，太空蕴藏着大量的未开发能源和物质资源。如果种子工厂和自扩展生产能够帮助利用这些资源，那么对文明的潜在收益将是巨大的。
由于条件如此不同，并且涉及不同的工程专业和设计，我们将关于它们示例的讨论保留在关于太空系统工程的第二卷中。太空的例子与地球的先前例子在以下几个方面相关联。首先，工业，在某些情况下是偏远和艰苦地区，是进行太空运输和运行所必需的。其次，用于太空的第一个种子工厂必须在地球上设计和建造，并且它们的一些运行可以从地球上进行远程控制。
- 概念设计笔记（第九章）
本卷的最后一部分是收集了一些材料，这些材料（a）太新或组织得不够好，不适合主文，或（b）太详细，会打断讨论的流程。我们在这些书中提出的想法正在不断完善，因此最后一部分也作为一种“工程师笔记本”，用于记录这项工作。在过去，这类笔记本是装订成册的纸张或文件文件夹中的页面。较大的草图和图纸保存在抽屉或卷轴中。只有少数人可以访问它们并进行协作。现代方法是共享电子数据库，每个人都可以访问所有内容。我们的工作是开源的，我们鼓励协作。因此，第 9 节中的笔记构成了我们数据库的一部分。不适合维基媒体格式的材料将存储在其他地方，并从该部分以及两卷的其他部分链接到该材料。