9.0 注释 (第 10 页)

从太空运输维基教科书中迁移的注释

工厂产出可以分为内部生产，即生产工厂自身使用的零件，和外部生产，即生产用于其他项目或销售的零件。

种子工厂无法生产 100% 的自身零件，尤其是在初期。但只要它能够生产一部分零件，它就能降低你想完成的最终工厂产能和后续项目的启动和后期生产成本。例如，假设种子工厂的规模是最终工厂的 10%，最初能够生产 60% 的扩展所需零件，然后在达到完全规模后能够生产 90% 的零件。那么，总投资将比直接建造最终工厂低约 75%。即使没有后续的太空项目，这已足以成为发展种子工厂的理由。该技术还将使太空项目成本降低，因为目前太空中没有生产能力。从种子工厂进行自我扩展和本地生产，将减少从地球运输的物资数量，从而降低任何大型太空项目的启动成本。

概念历史

自我扩展和分布式种子工厂与复制工厂相关，但并不相同。后者能够生产其所有零件（100% 闭合），对这类工厂的研究通常认为它们是完全自动化的，并且位于单个位置，而不是直接人工/远程控制/自动化和多个位置的混合。不断增长的种子工厂可能会随着时间的推移而达到 100% 闭合，但并不假设一开始就那样。大多数复制研究假设从一开始就 100% 闭合。

种子工厂的概念与工业发展相关，工业发展与欠发达国家或国家内部的区域有关，但它通过包括太空在内，在位置上更为普遍。

在过去几十年里，自动化和机器人技术总体上获得了大量研究和开发，计算机处理器和网络速度也显著提高。自我扩展和分布式操作受到的关注较少。最近的爱好者/低成本数控机床有时设计时会考虑生产一些自身零件。据悉，尚未对本节所述种子概念进行全面的系统分析和优化。一些相关工作包括

NASA 研究 - 1980 年代初期的研讨会，先进的太空任务自动化，，其报告最初以平装本出版，现在可在维基文库和 NASA上找到，对复制系统进行了广泛的研究。该报告自此基本上被遗忘，原因如下：（1）NASA 没有改善地球制造的授权。仅仅专注于太空任务忽略了地球上的应用。（2）估计的控制系统计算机需求（表 5.1 - 2GB 内存，35GB 存储）远超 1980 年的技术水平。（3）参考月球工厂概念是一个完整系统，作为单个单元交付，估计质量为 100 吨，而不是能力的增量构建。这意味着需要大量有效载荷运送到月球。在 2012 年，计算机需求非常适度，而陆地应用和增量构建使其更加可行。

KSRM 书籍 - Freitas 和 Merkle 于 2004 年出版的一本书，运动学自复制机器，对复制系统的文献进行了详尽的回顾。尽管复制与从种子开始不同，但这些想法足够接近，使其成为有用的参考资料

开源项目 - 开源生态是一个正在进行的项目，旨在开发“文明启动工具包”，最终将包含 50 台机器，这些机器共同能够生产大多数自身组件，并加上足够的农田和劳动力，满足大多数人类需求。一个积极方面是，他们正在构建和测试实际硬件，这比大多数闭环或复制工厂研究做得更多。一个负面方面是，该项目采用了“随机”方法，列出了大量机器，希望它们能够作为一个整体发挥作用。没有证据表明对这些机器是否是正确的机器，或以何种顺序或规模建造它们进行了可靠的分析。相反，OSE 项目的创始人需要一台拖拉机，因此首先构建了拖拉机，然后围绕它构建了车间和一系列其他机器。

NASA ISRU 开发 - 美国宇航局 NASA 拥有一个就地资源利用 (ISRU) 技术开发计划。该计划旨在利用太空中的材料和能量来支持其任务。因此，它涉及推进剂提取等工业元素，但它纯粹专注于太空任务，而不是地球上可以做的事情。它也倾向于关注单个项目，而不是集成的增长路径。尽管如此，技术开发对于它在单个元素上所做的研究仍然是有用的，这些单个元素可以用于更完整的系统。

当前问题

由于种子工厂的概念尚新，尚未完全发展，因此存在一些开放性问题，可能需要通过更多研究来解决。这些问题包括

• 启动工具包的复杂性、物理规模、初始成本和增长率之间的关系。
• 提高闭合率和改进自动化与人工劳动比例的最佳方法。
• 陆地或太空位置如何影响启动工具包和增长路径的选择。
• 包含单用途最终产品设备与更通用设备。
• 生产在内部增长和用于最终用途或销售的产出之间的划分。

我们已经开始了一个[设计研究]，以开始考虑这些问题。截至 2012 年 7 月 15 日，该研究仅完成了约 20%。

先进制造应用

先进制造概念可以应用于任何地方，但我们列出了几个特定示例，这些示例按照逻辑顺序排列。

种子工厂实验室

自动化和互联网等技术并非新鲜事物，并且一直在不断改进。建立在现有技术的基础上，例如自动化和互联网，种子工厂原型实验室将完成几项工作。通过专门针对自我扩展和分布式操作进行设计，我们将发现哪些软件和硬件元素缺失或需要更改。实际构建和运行原型将产生缺失的和修改后的元素，然后演示实际性能和优势。可以根据方便的地方构建初始原型。一个相对较小的项目应该能够在缩小规模的情况下完成初始原型设计，因为它建立在现有的工业技术基础上。

不太可能在第一次尝试中就找到理想的“通用种子”，而且也可能永远找不到，因为不同的位置和最终产品需要不同的起点。总体技术的进步也会随着时间的推移而影响最佳答案。相反，更可能出现一系列原型组件，并且随着持续的研究和开发而不断出现。然后，这些组件将以不同的方式组装起来，构成完整的工厂。将积累有关如何设计、构建和运行这类系统的知识和经验。

在容易的位置建立初始原型后，可以在更难的位置建造更先进的原型，例如地球上最干燥的地方，智利北部的阿塔卡马沙漠，反之，也可以在非常潮湿的位置建造。这既可以是高降雨量地区，也可以是在海洋上。如果原型能在这些极端条件下工作，那么它应该能在介于两者之间的任何条件下工作。可以对温度、海拔和其他变量进行类似的测试。第一个原型可用于生产这些更高级版本所需的组件，证明了其增长和扩展的能力。

陆地位置

一旦证明自我扩展和分布式操作原则适用于地球上的偏远、恶劣或未开发地区，就可以在更大的规模上以数量和规模实施这些原则。可能的位置包括

• 热沙漠和冷沙漠 - 沙漠的定义是缺乏降水，除了热沙漠之外，还有许多地区由于太冷而无法使水蒸气产生大量降雪或降雨。
• 海洋 - 海洋缺乏淡水和坚固的建造场所，覆盖了地球表面的大部分地区。沙漠和海洋合计占地球表面的 80% 左右。
• 欠发达地区 - 在地球剩余的 20% 的区域中，很大一部分是未开发的，因此，将自我扩展系统带到这些地区可以帮助改善那里的条件。不需要太多基础设施、人口或外部供应的系统可以设计得更符合生态，并跳过中间发展阶段。因此，地球表面的绝大部分都可能从这些技术中受益。

太空位置

如前所述，太空是应用这些原则的理想位置，但我们将把详细信息留给整个组合系统的后续步骤。如果在进行原型和陆地版本时牢记以后将它们用于太空的目标，那么过渡将更容易。例如，远程控制系统应该允许在通信时有较长的延时，因为太空中的距离会造成这种延时。

设计优化

出于设计和优化目的，我们定义了几种类型的度量，以帮助比较不同的高级制造方法

紧凑性

地球上的总工业能力，作为一个整体，生产它自己的所有零件。事实上，它从无到有建立起来，人类劳动力是其输入。但用所有可能的机器来建造一个启动工厂，或者将地球上的所有工业发射到太空，这都是不可行的。因此，问题是

• 什么是能够生产最多自身零件和外部剩余产品的最小启动套件？
• 哪些组件机器能够以最少的额外外部输入将其自身引导到更大、更多样化的能力？
• 以什么顺序添加新设备和功能？

没有一般要求将种子工厂包装成一个作为单元交付的单一物品，而该单元永远不会添加。从一个基本功能作为启动套件开始，然后分阶段添加，这将扩大产出范围，这更有意义。这些扩展套件将提供无法在内部制造的零件。它们将与内部生产相结合，以制造新的机器或功能。启动套件和扩展套件的组合构成了整个种子工厂，但您可以将后面的套件延迟到真正需要时。从概念上讲，这就像一个工具箱或车间，随着时间的推移，您会向其中添加更多工具。

效率

所有制造业都力求高效，但典型的效率衡量标准（例如有用输出除以能量输入）对于我们的目的来说是不够的。该度量仅查看特定过程的隔离效率。对于完整的工厂或系统，我们可以使用来自炉子的废热，例如，用来加热建筑物或干燥材料。只有熵值如此高的能量，你无法从中提取更多功，才是系统层面的浪费。

除了能量之外，我们还必须关注质量流。废物是那些无法用于其他目的的材料。例如，机床产生的金属屑可以加工回库存以备后用，从这种意义上说，它们不是废物。真正的废物是指无法再加工或泄漏到环境中的材料。在质量流中还要计算独特的外部输入，例如机床用的硬质合金刀具，如果你无法自己制造的话。那么质量效率指标就是（有用输出质量）/（总质量流）。

生产力是（输出）/（使用的人力或资本设备量）形式的效率衡量标准。全球系统生产力将资本项目转换为生产和组装这些项目的等效劳动力。这对制造系统很有意义，因为你制造了你自己的大部分设备，劳动力是主要的外部投入。那么生产力就是（总产出）/（直接生产劳动力 + 等效资本项目劳动力）。

灵活性

我们事先不知道工厂增长和产出类型的所有未来需求。因此，我们更喜欢一种能够改变的设计，而不是一种固定的设计。有几种方法可以实现这一点

模块化 - 如果我们为给定工厂的输出设计一台机器，而需求发生变化，无论是上升还是下降，我们最终都会遇到产能浪费或需要购买另一台会浪费一部分产能的机器。将输出分成更小的模块化单元，可以让你从更少的总资本开始，然后更紧密地扩展或收缩输出以适应实际需求。对于某些操作，更大规模在运行时效率更高，因此需要权衡模块化程度与效率，才能获得最佳尺寸。

标准接口和协议 - 听起来可能很矛盾，但标准接口可以使事情更灵活。电源插座是标准化的，但它们允许在任何位置插入几乎任何设备。除了公用设施连接外，标准物理尺寸和工厂尺寸网格允许将物品放置在任何位置，并且它们仍然可以适合。例如，如果网格单元是 1 米，那么机器、存储和过道就会根据 1 米的倍数分配空间。为了能够处理不同尺寸的物体，网格可以具有大约为 2 的幂的间距（1、1.5、2、3、4 等），这些间距仍然可以组合在一起而不会浪费空间。使用标准软件和通信，相同的设备可以由远程人员或本地人员操作员互换使用，并且由相同软件控制的设备组合可以不断变化。

目前已经存在连接自动化设备的标准，例如通用工业协议，以及交换设计数据的标准，例如 STEP (ISO 10303 )，因此无需从头开始开发标准。一套完整的标准将包括物理项目和数据项目。物理标准包括公用设施（电力、数据、水等）的放置和类型，以便每台机器都可以“接入”而无需定制设计。相比之下，台式电脑扩展插槽的 PCI 标准就是这种模块化系统。物理、电源和数据连接器是标准化的，因此任何扩展卡都可以安装在任何匹配类型插槽中。

自动化和机器人 - 工厂自动化是一项众所周知的技术，但通常它意味着使用自动化机器和机器人来制造最终产品，并辅以一定数量的人工。在这里，我们设想了一种更高级的版本，它将工厂本身视为产品的一部分。完整的 100% 自动化仍然无法实现，因此，需要一些人工远程控制或人类直接劳动力，但随着时间的推移，这一点可以减少。这些类型的机器是可编程的，因此你可以选择制造一个单件零件或通过简单的软件更改进行整个生产运行。因此，它们本质上是灵活的。如果工厂设备位置、存储和其他项目的设置本身可以自动化，那么整个工厂就可以根据不断变化的需求进行配置和调整。自动化和机器人还可以提高生产力，既因为它们比人类更快，也因为它们能够几乎 100% 的时间不间断地运行，不会感到疲倦。

配送网络 - 只要有足够的带宽，设备就可以由远程人员直接控制作为替代方案。例如，你可能想将一个太阳能电池板工厂建在撒哈拉沙漠，因为它拥有丰富的用于原材料的沙子和用于发电的阳光。通过远程操作，您的员工不必住在沙漠中，如果他们不想的话。远程操作目前用于军事无人机、深海航行器、航天器和某些类型的采矿业，这些地方的环境很危险或支持人类的成本很高。随着电子设备和网络带宽的最新改进，它可以有效地应用于比以前更多的任务。对于未来的太空项目，远程操作显然具有扩展操作范围的优势，从您目前所在的位置扩展到新的位置。

结论

自己制造零件可以称为“闭环”，因为零件的输出作为输入循环回工厂，用于复制或扩展工厂。您可以将闭环度量为（自行制造的质量）/（所需的总质量）的比率。另一个度量是质量回报率，即（总产量）/（工厂质量）。作为质量度量的替代方案，您可以根据成本衡量闭环度。

分析闭环率是一个逐步的过程，从最终产品反向进行。首先，您需要确定生产最终产品所需的机器和工艺。由此，您可以确定哪些设备尚未到位。对于缺失的设备，您可以进一步确定可以内部制造多少。最终，您将所有内容追溯到您拥有或可以制造的机器或材料，或者追溯到您无法制造的机器或材料。内部制造与最终产出的比率就是您的闭环率。在进行此类分析时，应考虑将来自一个工艺的废弃物回收利用到另一个工艺中。

如果您试图达到 100% 的闭环度，理论上您将达到起始机器的某个极限，这些机器可以制造所有其他机器，包括它们自己。我们知道我们整个工业文明都可以做到这一点，因此至少每个类型的一台机器的较小子集也应该能够做到。实际上，一些工艺（例如制造计算机芯片）在小批量生产时非常困难且昂贵。对于这些工艺，自行制造通常在经济上不划算。以前关于这种闭环生产的少量研究发现，大约 2% 的总物品不适合自行制造，换句话说，闭环度为 98%。尽管如此，不得不购买或进口 2% 仍然比 100% 有很大的改善。

开发计划

设计一个分布式种子工厂，可能永远不会以建设家庭工作室或制造企业的方式完成。相反，您会有一个起点，它本身具有生产力，随着时间的推移，您可以增加更多功能。此外，经验将教会您更好的做事方法，而世界其他地方的技术一直在不断改进。因此，与其试图一次性完成所有工作，不如从简单的事情开始，并为扩展和升级设计。这类似于软件的增量开发，实际上，联网和自动化的工厂很大一部分将是软件。

起点

起点应旨在按质量和成本生产越来越多的自身零件。例如，在地球上，如果您从水泥制造开始，水泥是混凝土中最昂贵的组成部分，您可以按重量为您的建筑物提供很大一部分，并大幅降低成本。然后，如果您添加钢结构制造，您将添加建筑物总量的另一个大片段，等等。该设计还应考虑灵活性。这种类型的工厂不太可能批量生产单一物品，而是可能混合生产销售的物品和为自己制造的新零件，具体取决于工作订单的时间安排。

在进行设计和原型之前，我们可以猜测陆地入门套件将包括用于加工木材、基本金属、陶瓷（包括粘土和水泥用于混凝土）、岩石，以及可能包括玻璃和塑料的机器。此外，还需要某种形式的能源供应，例如基于阳光或生物质的能源供应，以及计算机和通信来将所有内容连接在一起。这个猜测是基于这些是地球上大多数东西的基本材料。对于太空中的不同条件，几乎肯定需要不同的入门套件。

实际上有几种方法可以设计一个起点。一种方法是简单地假设一个入门套件，例如上一段中的那个，并分析它以确定是否需要添加或删除项目。另一种方法是从设备齐全的机械加工车间（参见附录 2）的机器列表开始，因为机械加工车间通常可以制造任何其他类型机器的零件。从起点开始，我们可以查看替代方案、优化和升级。

对于太空，由于环境不同，起点也将不同。这些方面的先进制造讨论将在本组合系统示例的后续部分中介绍：轨道组装 和 加工厂.

设计流程

与任何其他工程设计一样，相同的工程过程用于从假设的起点到最终的种子工厂设计。该通用过程在系统工程 及其后的部分中进行了描述。它包括将复杂的设计分解成更简单的部分，这些部分共同构成整个系统。然后，更简单的部分更容易设计和优化。虽然各种工程方法用于改进设计，但它在传统的完成设计然后进入生产意义上不会“完成”。一旦它达到足够好的状态，就可以构建原型或第一个生产版本，但来自现有版本的其他工作和反馈将随着时间的推移带来改进。这更像是常见的软件开发模型，其中版本 1.0 会随着时间的推移导致同一基本程序的更高版本。

软件工具

除了硬件组件外，还需要一套软件工具。即使硬件部分发生巨大变化，这些工具也不会发生太大变化。其中一些是现有的软件，而另一些则需要自定义或从头开始编写。

• 计算机辅助工程 (CAE) - 用于生成设计 3D 模型的软件，然后分析其应力、温度分布和其他特征。存在许多此类程序。
• 物质编译器 - 用于将 CAE 模型转换为针对目标机器工具和机器人的低级指令的软件。这类似于软件编译器如何将高级程序指令转换为计算机处理器的机器代码。据了解，在整个工厂的机器级别上还不存在这种编译器，尽管针对单个机器存在转换器。
• 工具驱动程序 - 这些是计算机和工厂中各个机器之间的接口，以便可以发送命令和文件来操作机器。
• 增强现实模拟器 - 为虚拟工厂或施工环境提供叠加在真实视图上的内容，以尝试远程控制方法和工厂程序。在模拟器中尝试事物比“弯曲金属”然后发现指令错误要便宜得多。
• 远程操作软件 - 让人类能够直接控制远程位置的机器人和自动化设备。这应使用与模拟器相同的界面。有些任务将无法自动运行，因此在这个软件和工厂中的现场人员之间，非自动化任务将得以完成。

种子工厂设计示例

我们查看了地球上的几个设计示例，以了解位置和环境的选择如何影响入门套件。

温带原型工厂

温带位置原型假设一个已经开发和人口稠密的地区的典型条件。这包括适度的降雨量和温度、典型的土壤以及公共基础设施的可用性。一个最小的入门套件可能包括一个用于零件和材料的存储区、一台通用数控机床以及一个机器人，用于将物品从一个地方运送到另一个地方，并使用连接到机器人手臂的多个工具组装零件，所有这些都由人类或预先计划的制造文件远程控制。一个更全面的套件将拥有更多机床、机器人变体以及在户外工作的功能。

数控机床

模块化机器人

这是一组模块化组件，可以以各种配置组装起来，以执行不同的任务。它包括以下一项或多项：

• 固定太阳能电池阵列充电站
• 可更换电池组 - 可以留在充电站并根据需要交换，或通过将机器人停放在充电站上为机器人充电。
• 各种尺寸的底盘，其他项目连接到该底盘
• 用于室内工厂或室外使用的轮式工具包
• 用于乘客使用的座椅工具包
• 用于远程使用的摄像头和控制单元
• 带有各种末端工具的机器人手臂，存储在工具箱中
• 用于非移动机器人的底座
• 用于货物的托盘/箱子附件
• 用于材料搬运、稳定器、挖掘机臂等的其他动力附件

海洋原型工厂

高山沙漠原型工厂

---

文本仍待合并到上面或其他地方

---

我们在每个新地点应用一个通用的发展模型，添加新的功能元素，使内部能够增长，并随后在重复循环中扩展到下一个地点。扩展周期从地球上的种子生产元素开始。种子元素通过制造自己的扩展设备来建立生产能力。当足够强大时，它们开始为下一个地点生产居住、运输和更多种子元素。随着更多种子元素的添加和改进，以及扩展设备的制造，各地点可以生产更多产品，并逐步提升生活质量和其他功能。随着地点的增长，技术开发也在不断进行，以便实现更高的性能水平。

当生产和技术达到足够高的水平时，地球上的地点开始生产运输工具和空间硬件，以在近地轨道建立新地点。随后进行轨道采矿、添加种子设备和建造栖息地，最后组装运输工具，以建立下一个太空地点，即高地球轨道。这个周期重复，逐渐扩大地点数量，同时现有地点在规模和质量上得到扩展。随着交通量的增长，早期运输系统将在有意义的时候被更先进的系统取代。一旦建立，各个地点旨在成为永久性的，并在不断扩展的网络中添加新的地点。

通用设计

为了获得整个计划的最终设计，我们必须选择最佳的低级元素，并以最佳方式将它们组合起来。在这一点上，我们只能开始列出需要做出的选择和做出这些选择的候选人。本节列出了适用于整个计划的通用设计选择。

生产替代方案

新方法与现有方法

生产方面最高级别的问题是选择现有生产方法和新方法，新方法包括具有自我扩展、分布式操作以及可能其他特征的种子元素。我们将新方法称为高级制造，并在第 4.2 节中讨论它。最初，无法在内部制造的组件必须从外部供应。随着生产能力在规模和多样性方面的增长，它可以在内部进行更多生产。目标是通过不需要那么多的初始投资以及广泛使用自动化、机器人和远程操作，大幅降低生产成本。

功能和种子元素

图 4.1-2 - 高级制造初步流程。

除了选择现有生产方法与新生产方法之外，接下来就是需要在生产中使用哪些功能以及首选哪些种子元素的问题。地球上的生产范围非常广泛，而且很复杂，因此这里做出的选择并不明显。我们至少可以将其确定为需要进一步研究的领域。组织选择的一种方法是在许多地点需要的功能和特定于特定地点的功能之间进行区分。图 4.1-2 是用于开发种子工厂的流程图的早期版本。在做出任何最终选择之前，将需要更详细的信息。

其他问题包括

• 现有技术在多大程度上能够实现自我扩展、回收利用和自动化目标，以及是否需要什么新技术？
• 种子元素的最佳顺序是什么？初始启动套件中需要什么，以及后来添加了哪些项目？
• 生产输出应如何在内部生产增长、用于该项目的產品和帮助支付成本的外部销售產品之间分配？
• 生产增长最好是通过复制现有元素、制造它们的更大版本，还是通过添加可以执行新流程的全新元素来实现？
• 与传统制造相比，引导式方法有多少优势？

分布式操作

除了自我扩展之外，我们还会考虑采用分布式操作模型，而不是传统的工厂模型。后者假设所有生产要素和工人都在一个地点集中。分布式模型使用远程操作、自动化和机器人来减少对生产任务发生地点的大量人力需求。这在恶劣环境中变得更加重要，尤其是在当地居住区建立之前。为了选择现有方法和新方法，必须对新方法有足够的了解才能与现有方法进行比较。

在分布式操作模型中，不需要一切都是分布式的，只需要它是可选的。优化的设计可能会将多个元素放置在一个地点，就像传统的工厂一样。当这样的地点包含可以扩展生产的种子元素时，我们将其称为种子工厂。在分布式模型中，种子工厂的位置大多独立于人员的位置。可以使用现代计算机和通信进行远程设计物品和控制设备。少数人留在当地执行无法远程完成的任务。种子工厂将首先在地球上使用，在那里它们会产生收入和增长，并用于建造第一批太空发射系统和有效载荷。利用从地球获得的经验，后来的种子工厂被放置在地球轨道和更远的地方。它们仍然主要是远程控制的，用于轨道平台和车辆的建造，以及利用来自太空的当地能源和物质资源。一旦有足够的生产能力到位，并且栖息地建成，人类可以大量到达。您仍然需要从地球运送专业物品，但大部分物资应来自当地来源。

居住替代方案

运输替代方案