9.0 注释 (第 9 页)

[仍待合并或移动的旧文本]

之前的标题讨论了设计方法和经济优势。为了有用，种子工厂的概念也应该有实际应用。不同的应用可能需要不同的启动集和发展路径。识别和设计这些应用将有助于发现自我扩展过程的哪些部分是通用的，哪些部分是特定于给定用途的。目前还没有建造功能性的种子工厂，因此我们无法像在更有经验的工程领域那样指向现有的应用。相反，我们在本书的后面部分介绍了几个未来的例子。它们将用于展示可能的用途范围以及为它们准备的设计之间可能存在的差异。开发每个示例的过程也是一个指南，说明如何设计本书未涵盖的其他应用。

我们目前的例子来自两个来源。一个是提议的升级地球文明的计划，并逐步扩展到更困难的环境，包括太空中的多个区域。该计划使用种子工厂作为实现这些目标的核心方法 ( 项目概述，2017)。该计划假设了一系列自我扩展系统。这些从较小且较简单的系统开始，在发达地区的环境条件良好。早期的系统然后帮助生产用于地球上越来越困难和偏远地点，以及最终太空中的启动集。后面的地点从更少或没有本地开发开始，需要更先进和完整的启动集。从更容易到更困难的项目的进展允许在尝试更难的项目之前积累经验。我们在这本书中讨论了在地球上使用的系统，以及在关于太空系统工程的第二本书的第 4 部分中讨论了用于太空的系统。

我们例子的另一个来源是为概念探索研究选择的样本行业清单的工业规模生产。样本行业旨在代表从美国人口普查局跟踪的 2700 个行业中选择的 50 个行业。研究过程是从他们的产品和生产这些产品所需的设备开始反向工作。目标是确定通向所需最终点的启动集和发展路径。

我们选择的四个示例在本书后面都有自己的部分，目的是将它们的 conceptual design 进行到我们能够做到的程度。如果可用，书中讨论之外的支持信息将被链接。这些示例的工作目前尚未完毕。这些示例是

贯穿历史的另一条线索是以多种形式进行自我提升。农民培育了更好的植物和动物来供应食物，工具制造者使用现有工具来制造更好的工具。知识的传播从口头和洞穴壁画发展到互联网，使人们更容易提高自己的知识和技能。我们认为，自我提升系统可以解决前一段提到的劳动力流失问题。一个直接满足人们需求而不是通过以劳动换取金钱来满足需求的自我提升生产系统可能提供解决方案。这样一个系统可以使用导致问题出现的相同类型的智能工具。它为这些工具添加了几条自我扩展路径：复制、多样化和扩展。这使得系统负担得起，因为它只需要一个小的子集来启动，后来会成长到满足人们需求所需的规模。

本书首先回顾了导致当前经济体系的自我提升的历史。然后，我们确定了该系统的经济问题，包括智能工具可能导致大规模劳动力流失。过去的尝试和最近的提案没有完全解决这些问题。在阐明问题之后，我们然后研究可以从中构建解决方案的相关概念。第三，我们将“种子工厂”确定为一种可以解决问题的自我提升系统。本书的其余部分及其续篇探讨了设计过程、实际应用以及将这些系统纳入并通向更美好未来的未来项目。

我们提出了一种新方法，它基于一直以来使用的相同过程，但转移到所有者运营商及其工具的网络。它们从称为“种子工厂”的更小、更简单的启动集启动。他们利用自己的劳动和技能来增加工具的多样性和规模，并升级到功能更强大的工具。这包括根据需要复制现有工具，并最终添加智能工具。不断增长的网络用于直接满足某些需求，并产生可用于交易剩余需求的盈余。对于拥有此类系统的业主来说，他们的劳动被智能工具取代并不是问题，因为他们仍然从生产的产品中受益。这样一来，工具就可以解决它们自身造成的问题。能够从启动集启动并成长到任何所需规模的系统，不仅仅局限于解决经济问题。最后，我们研究了这种方法可以构建更美好未来的其他方式。

第 2 节和第 3 节介绍了有意设计的系统，这些系统可以自行增长和改进。这些系统的一个具体例子是“种子工厂”，它是一套可以制造更多设备部件的启动设备集。不断增长的设备集将其部分产出用于有用的成品，其余部分用于自我增长和改进。如果工厂已经足够大，可以生产新的启动集，它就会自我复制并呈指数级增长。足够多的工厂集合就可以解决一个大问题，比如气候变化。

自我扩展工厂、人类文明及其面临的问题都是复杂的。工程是将知识应用于实践目的。一种特殊的工程方法，“系统工程”是为了应对复杂项目而开发的。第 4 节介绍了这种方法以及我们可以用来开发种子工厂及其可以生产的产品的其他工程领域。然后，第一卷的其余部分展示了在地球上自我扩展系统的一系列渐进式应用。这些应用之间的联系在于当前工厂可以生产用于后期应用的种子元素。

旧简介

本书有两个主要目的。第一个是关于具有高水平自我扩展、集成和自动化的生产系统的教科书式的介绍。它们的設計建立在工程学和工业技术领域的现有经验基础上。第二个是支持通向可行示例的实际设计。我们探索了几个这样的设计概念，并提供了关于如何开发它们的指导。我们邀请合作将这些示例作为开源项目进行工作，目标是构建功能齐全的机器和完整的系统。

什么是种子工厂？

种子工厂是一套工具和机器，它专门设计为通过制造更多设备来发展自己。这除了任何工厂的一般目的，即制造有用的产品。这种发展可以针对更大的成熟生产能力或制造启动集的副本。它也可以是开放式的，没有设定的增长目标，或者这些增长路径的某种组合。增长的方向，因此启动集的构成，由系统的所有者设定。启动集通常包括一些传统的车间工具和设备，最好包括一些灵活的自动化机器。它还包括制造更多设备的计划和说明。在最便携的形式中，“种子”只包含计划和说明。然后，工厂建造者可以从当地可用的零件、材料和设备开始引导建设。

在当前的技术状态下，一套工具和机器无法自行运行或发展。他们需要拥有合适技能的人来使用它们。在大多数情况下，他们还需要土地、金钱、能源、材料和零件的起始库存。随着该套设备的增长，它可能会需要更多这些，并可能添加一些完整的设备项目。因此，我们区分了裸工厂，它是一组工具和设备，以及完整的自我扩展系统，它包含裸工厂以及运行和发展所需的所有其他东西。

随着生产能力的提高，以及自动化水平的提高，相对于而言，将需要更少的人力和外部供应。更大的机器通常可以为相同数量的人员运行生产更多输出，而自动化减少了所需的人员数量。更广泛的机器集合可以处理更多类型的材料并在内部生产更多类型的零件，因此需要从其他地方提供的此类材料更少。如果生产输出增长速度快于技术改进减少对它们的需求，那么人员和供应的绝对数量可能仍然会增加。

为了使自我扩展系统可持续，我们更希望使用当地的可再生能源和原材料作为投入，并纳入高水平的回收利用。外部供应与本地和回收投入的比例会随着时间的推移而变化，因为生产系统会不断发展。总体趋势是朝着更大、更多样化的设备和流程、更高的自动化和自我生产水平、对外部供应的需求减少以及这些供应更接近原材料而不是成品的方向发展。不断扩展的工厂还通过为自己制造替换物品来提供自我维护。

工厂的总产量分为用于自我维护和增长的项目，以及用于其他目的而在其他地方使用的成品。成品的比例可以从 0%（所有输出都用于维护和增长）到 100%（即所有成品，没有增长）不等。成品的比例会随着时间的推移而变化。从历史上看，大多数工厂的运营接近或达到 100% 的有用产品，几乎没有或没有产出用于自我扩展。用于自我扩展的产出百分比较高，在相当长的时间内，将自我扩展系统与其他类型的生产区分开来。

在物理上，设备及其操作人员可以位于一个地方或多个地方，由一个或多个所有者拥有。无论其位置和所有权如何，操作员及其设备都进行通信并传递输入和输出，以便作为一个协调的整体运行。从历史上看，工厂将设备和工人集中在一个地方，因为这是唯一有效的运营方式。随着现代通信和电子技术的出现，这不再是绝对的要求。设备及其操作员可以分布得更广，同时仍然协调工作。当然，将某些设备集中在一起仍然会存在技术优势，但不一定需要将所有设备都集中在一起。因此，在本书中，当我们说“工厂”时，我们不是指传统意义上的带有烟囱的单一建筑。我们指的是一个朝着共同目标运作的生产系统，无论其物理排列方式如何。

（1）为自我扩展而设计的起始套件、（2）规模、复杂性、输出范围和自动化程度方面的广泛增长、以及（3）大量使用当地材料、可再生能源和回收的特定组合是新的。因此，我们采用 **种子工厂** 作为这种方法的名称。选择此名称是为了显示与生物学（种子生长并自我复制）和更传统的工厂之间的关系。种子工厂是更通用的自我扩展系统类别的一个成员。由于这是一种新的方法，因此目前还没有完整的的设计或功能示例。然而，种子工厂方法的各个部分并不新鲜。

书籍组织

与种子工厂方法相关的各种想法，以及与一般自我扩展系统相关的想法，都有其自身的历史。制造工具和其他有用物品的历史甚至更悠久，远早于人类作为物种出现。因此，本介绍的下一部分将描述自我扩展系统如何与关于复制、生物学、制造和经济增长的想法相关联。然后，我们将探讨增长设计与传统工厂设计的区别，以及这种生产系统的潜在优势。为了使种子工厂不仅仅是智力上的好奇心，它们还需要有实际应用。本介绍的最后部分介绍了一些规模和难度不断增加的候选应用。本书后面的部分旨在更详细地涵盖所有这些主题

第 2 节 考察扩展、增长和复制作为自然过程，以及作为人类文化的一部分。然后，我们研究如何将它们组合成当前的种子工厂概念。第 2.1 节着眼于将该概念付诸实践所需的研发工作。
第 3 节 涵盖与自我扩展系统相关的工程概念和方法。这些用于更好地理解和设计此类系统。
第 4 节 然后将它们结合到基于系统工程方法的设计流程中。
第 5 至第 8 节 探索种子工厂方法的四个候选应用。这些应用是为了它们自身的目的而提出的，也是开发其他用途的示例。
第 9 节 包括其他注释和参考材料。这些内容过于详细或过于新颖，不适合包含在主要讨论中，但有助于支持前面部分。

本书中描述的种子工厂仍然是一种新方法。因此，我们没有像更成熟的工程领域那样可以借鉴的经验。因此，本书是一项正在进行中的工作，必然是不完整的。关于自我扩展生产系统的书籍在某种程度上将保持未完成状态，直到积累了足够的经验和工作示例来撰写关于它们的权威著作。

设计方法

想要一个自扩展工厂并不能告诉我们设计中应该包含哪些功能，或者它与传统工厂有何不同。我们统称为设计方法这些功能和区别。我们在这里列出设计方法的关键部分，并在本书后面详细介绍。

增长、适应性和集成

传统工厂往往在很长一段时间内都保持固定的产能，并且只生产有限范围的产品。针对这些条件优化的单一设计是一种合理的方法。相比之下，种子工厂可以从初始设备不断增长到更大的产能。随着它添加更多种类的机器和工艺，它既可以生产更多自身零件，也可以生产不断增长的产品范围。因此，必须在最初的设计中规划工厂随时间的演变。然而，未来是无法完全预知的。最终用户可能需要不同的产品，或者可能会开发出新的生产工艺。为了适应这些不确定性，与生产量相比，灵活性、模块化设计等功能变得更加重要。无论规模多大，不断增长的工厂都应该被设计成一个整体，而不是只是在一个建筑物中放了一堆机器。这意味着要考虑不同生产流程之间的输入和输出流程，将一种流程的废物作为另一种流程的输入，并在可能的情况下回收物品。这些功能是在传统设计的基础上进行的，传统设计试图优化执行每个步骤的各个部件和机器。

变化自动化

自动化在现代制造业中得到广泛应用。然而，在不断变化的工厂中实现高度自动化是一个新的挑战。制造流程管理传统上是由人工完成的，尽管近年来帮助完成部分工作的软件已经变得很常见。对于一个不断增长的工厂，我们希望尽可能自动化流程管理流程，以避免持续返工。一种方法是将所有工厂设备和最终产品描述在设计文件库中。这些文件不仅指定要制造的零件形状，还指定它们的输入材料和能量需求，以及各种加工和组装步骤。生产某一产品的请求然后根据这些数据转换为一系列任务。这些任务被分配给能够完成任务的自动化设备、使用工具和机器的人员，或者被分配到购买无法内部制造的物品。新的生产订单从最终组装开始，向生产链的早期步骤反向分配。这会生成指令来制造更多库存或其他供应品，供后期的步骤使用，一直追溯到原材料和能源供应。通过添加新机器来扩展工厂，就像其他任何产品一样，被视为一系列步骤，这些步骤最终会导致组装和安装。

生产软件会识别工厂在任何给定时间可用的设备。因此，随着工厂的成熟和发展，给定的产品设计可以根据当前的能力生成不同的生产流程。如果工厂的总产能不足以满足所有正在进行的生产订单，软件也可能会生成更多设备扩展工厂的请求。这将与所有其他生产工作一起插入。因此，工厂将适应当前的生产需求。并非所有可能的未来设备和产品的设计在开始时都是必要的或可取的。您可以使用一套有限的设计文件来构建种子工厂，这些文件涵盖初始设备和早期最终产品。随着新产品或工厂设备的设计开发，可以将它们添加到设计库中，并在需要时生产。

可持续性

现代生产设计需要超越仅仅优化生产量和成本，并考虑可持续性等额外目标。活植物主要从当地环境中常见的能量和材料中生长，生物系统具有高度的材料回收能力。我们希望复制这些功能，以便我们的工厂可以拥有生物世界中普遍存在和可持续的时间尺度。工厂必须有意识地为此而设计 - 许多现有工厂使用稀缺资源，几乎没有回收利用。我们可以通过将所需的功能作为明确的设计要求纳入其中，并查看流程和流程之间的整体关系，包括工厂内部以及与外部实体之间的关系，来整合所需的功能。例如，制造水泥（混凝土中的粘合剂）会释放二氧化碳，而温室中的植物可能需要消耗额外的二氧化碳。将一种流程的废物产品作为另一种流程的输入是有意义的，但是，在设计过程中，寻找这样做的方式必须是思考过程中的一个常态。

复杂系统

自扩展系统可以从简单的初始设备发展到更高水平的机械化和自动化，具有集成的流程以及持续的增长和变化。因此，它们的设计和构建变得更加复杂。不同的流程和制造步骤可以结合来自机械、电气、化学、生物学和其他工程领域的多个元素。通常也存在多个设计目标，我们希望同时满足这些目标。系统工程流程自 20 世纪中期以来一直在发展，以管理此类复杂项目。因此，我们将系统工程方法作为我们设计流程的一部分。我们还借鉴了其他领域的工具和方法，例如工业技术和建筑施工，在适当的时候。为了帮助管理复杂性，我们也没有试图一次性设计所有内容。相反，我们遵循一种增量方法，从更小、更简单的系统开始，并逐渐添加内容。一种方法是从一个或几个产品和材料开始。

潜在优势

除了纯粹的智力兴趣之外，一个实际问题是为什么有人要建造一个自扩展的设计，而不是一个传统的工厂？答案包括种子工厂方法可以带来的技术、经济和个人优势。如果优势足够大，那么人们就会将这种方法作为一种广泛的生产方式。我们已经确定了种子工厂的一些功能，我们预计这些功能将成为优势，并在下面列出。由于这种自扩展系统尚未建成，因此需要做更多的工作来证明这些优势是真实的，并量化其程度。我们希望在撰写本书的过程中取得进展，并在相关的种子工厂项目中设计和测试此类工厂的设备，以解答这个问题。

集成自动化

自扩展工厂应该比传统工厂更有效率，成本更低。设计将包括越来越多的智能制造元素，包括计算机、网络、软件、自动化、机器人和人工智能。这减少了给定产出所需的劳动力数量，从而降低了这部分成本。从原材料到最终产品的越来越多生产步骤也被整合到一个系统中。这允许自动化步骤之间的转移和集成流程流程。与传统的专业工厂相比，它消除了它们之间的包装和运输，并降低了运输所需的能量和劳动力。原材料通常比后期阶段的中间产品更便宜，尤其是当你生产自己的设备来开采它们时。集成的流程、更便宜的原材料和减少的运输应该会大幅降低成本。自扩展降低了生产的初始资本成本，因为你只需要购买总设备的一部分。新的设备可以在出售产品的间隙时间内建造。这有助于保持工厂的高利用率，并将闲置资本和间接成本降至最低。

智能制造的水平随着工厂的增长而扩展。在早期阶段，必要的机器或流程可能不可用。在这种情况下，流程流程将要求从外部订购零件，或要求人员执行手动任务。当工厂更加成熟时，相同的任务可能会完全自动化。目前，全自动化可能无法实现，但我们认为，计算机、机器人、软件和传感器已经足够先进，可以建造一个高度自动化和集成的工厂。我们还认为，现有技术可以使这种工厂主要依靠当地可获得的原材料和可再生能源运行。这应该使其既可持续又低成本运行。因此，它应该能够与传统工厂相竞争。

复制

种子工厂，在当前技术的范围内，应该能够发展到能够制造几乎完整的初始设备副本，而只需从外部提供少量物品。在第一个建成后，您就可以实现近乎指数级的产能增长。自扩展工厂本质上是灵活的、通用的，能够制造任何它们被指示制造的产品，并在它们的能力范围内。这包括各种有用的最终产品、用于多元化的新设备，以及更多所需的种子工厂。虽然它们被组织成不同的流程和机器，但工厂作为一个整体被设计和操作为一个具有统一控制的集成系统。工厂的每个部分都对其他部分的维护和运行以及有用的最终产品做出贡献。因此，它在很大程度上是自给自足和独立的。这种增长在当地生产不足或不存在的地方特别有用。

可移植性

种子工厂比传统工厂更便携。最紧凑的版本仅仅是一组设计文件，包含了启动套件、扩展设备和最终产品的说明。设计文件将包括如何从易于获得的资源和设备中构建启动套件的说明，以及如何逐步扩展的说明。这种形式可以以低成本分发到任何地方。一个更完整、更易于使用的版本将包括一些难以制造的零件和材料以及设计文件。将常见的当地供应品添加到这些材料中，即可构建完整的种子工厂。一个更完整的版本将装在集装箱中运抵，开箱即用。这些便携形式与传统的“现场建造”工厂形成了对比，后者相当固定。在太空，由于从地球运输成本高昂，便携性尤为有用。

地域性

自扩展生产系统不需要像大多数传统工厂一样存在于一个特定的物理地点。如果需要，它可以作为一个通过计算机网络连接的分布式系统运行。但是，如果机器在物理上靠近，则不同机器之间的自动化转移或零件和供应品的交付将更容易。随着现代通信的发展，所有者和运营商也可以分散开来——远程控制某些操作，而硬件则保持紧密 proximity 以提高效率。灵活的布局是现代技术带来的一个选择，在过去的几十年里是不可用的。它让所有者按照自己的意愿安排事物，而不是因为那是运行工厂的唯一可行方式而把人和机器放在一个地方。分布式和远程操作可以节省通勤时间和费用，并减少对生产地点停车场、食堂和洗手间等的需求。

经济学

自扩展生产的经济效益应该比传统工厂更好。最初，它无法制造所需的100%的零件和材料。它会生产出它能够制造的东西的盈余，并将其出售以支付它无法内部供应的物品。随着工厂的增长和成熟，工艺多样性和产能的提升，它将生产更多自己的物品，对外部的依赖减少，从而降低生产成本。在工厂能够自建的范围内，而不是直接购买所有设备，它需要的资金比直接建造传统工厂少得多。

传统工厂通过规模经济和批量生产来降低单位成本。从种子长成的成熟工厂通过减少资本、自动化、整合和使用更接近原材料的投入来降低单位成本。传统工厂往往规模庞大，在完工之前无法运作。因此，他们需要大量的资本投资，而这些投资必须等到生产开始才能获得回报。资本往往来自大型和耐心的来源，这些来源通常不是最终在工厂工作的人。从启动套件中生长出来使工人更容易成为所有者。作为所有者，他们将对自己的收入更有保障，并更愿意长期投资于自己和工厂。如果所有者运营商自己使用产品，以满足自己的需求，他们可以变得更加自给自足。智能技术可能会在未来取代许多传统的工作。自给自足将避免由工作流离失所造成的问题。

[合并或移动]

第二卷讨论了太空项目。地球的深重力井使得进入太空变得困难。因此，相对较小的种子工厂，然后成长到所需的产量，将特别有用。工厂将不在地球上运送所有东西，而是本地生产所需的东西。第二卷首先介绍了与太空相关的科学技术。太空项目首先需要到达那里，并且通常涉及随后的移动，因此运输是关键技术。太空环境并不自然地支持我们所知的生命，因此居住系统也很重要。其他技术在地球上也有类似物，但需要针对太空环境进行修改。第二卷的剩余部分继续介绍一系列应用于太空项目的应用。

与传统工厂的差异

传统工厂通常以固定速率生产固定范围的产品，持续一段时间。工厂的改进通常由现有产品的销售支付，并且通常由外部来源提供。种子工厂可以通过这种方式进行改进，但它们也有另一种选择：它们可以生产的产品范围以及生产产品的速度可以随着时间的推移而不断变化，并且大部分改进可以来自内部来源。

“种子”是一套启动设备。它可以用于以下任何或所有方式改进工厂

复制 - 复制自己的部件，以便最终复制整个机器或整个工厂。
多元化 - 为新型设备制造零件，扩大可能的输出范围。
规模化 - 为比启动套件更大（或更小）的设备制造零件。
升级 - 为现有部件和设备添加附件或扩展，或制造更好的版本。

技术还没有达到复杂系统完全无需人工即可运行的程度。因此，我们将要讨论的这类自我改进系统和不断成长的工厂将不可避免地包含人员。这包括设计师、设备操作员和其他技能。人们也可以提高，获得新的技能和经验。这种自我改进也可以在计划中，并纳入到成长过程中。

种子工厂的特点

种子工厂以及它们成长而成的改进型工厂，可以包含几个有用的特点

它们可以设计为集成系统。这将整合从原材料和能源到成品的多个生产步骤。工厂的每个部分都可以生产其他部分所需的资源，使其随着工厂的增长而变得更加自给自足。集成过程还可以将一个步骤的废弃物输出用作另一个步骤的输入。

工厂布局可以是本地化的（所有在一个地方），分布式的（各个部分位于多个地方），并协调运作，或者两者兼而有之。这为系统各部分的位置和增长方式提供了更多选择。它也为参与的人们提供了更多工作地点的选择。

工厂可以从一个技术水平开始，例如手工工具和设备，但随着时间的推移，升级以利用现代信息技术、自动化、机器人技术和人工智能。这使得能够以低成本和低技能水平起步，而最终的具有现代技术的集成版本将非常高效。

随着这些工厂的扩展，它们可以为最终用户生产越来越多的产品。随着它们的多元化，它们也可以生产越来越多的用于自身增长的零件。启动套件的体积小，相对简单，使其成本低廉，而它发展而来的更大产能可以产生高收入。加上集成流程和自动化带来的低运营成本，这种类型的系统在经济基础上非常可取。

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