第 2.2 章 - 概念演变和进一步研究

在第 2.1 章中，我们描述了将多个想法结合起来形成自我改进系统，以及这些系统的起点，称为种子工厂。这种方法相当新颖。因此，本章我们将回顾概念的演变过程、其当前状态、仍然未知的内容以及解决这些未知内容所需的进一步研究。

1.0 - 概念演变

种子工厂方法在 20 世纪后期和 21 世纪初期发展成为目前的形态，当时所需的科技和理念已经发展成熟。这包括从手工工具到现代自动化机器的所有工具，以及从人力到我们今天使用的各种能源。

一旦自我控制的机器能够在减少人工干预和非人类能源的情况下运行，人们就开始想象它们像生物一样复制自己。最初的想法是模仿生命，使用自动机和机器人。当电子设备发展到足够先进的时候，复制过程除了包括机械设备外，还包括存储信息。到 1980 年，这带来了第一个提议，称为“种子工厂”。这将是一个完全自动化的机器集合，由计算机和软件控制，并由太阳能供电。它将从原材料中构建自己的精确复制品，无需人工干预。

无人工干预的机器复制在过去和现在都超出了技术水平，除了计算机软件和数据。所有现代计算机都具有“复制”指令，并且可以将数据从一个地方移动到另一个地方，因此复制信息非常简单。复制机器及其制造的材料要困难得多。因此，在我们的工作中，我们以多种方式修改了种子工厂的原始版本。

第一个修改是向工厂系统中添加人员。接下来是复制不到 100% 的零件和材料，并允许剩余部分进口。这允许从较小的设备集开始。该设备集可以随着时间的推移而增长，通过使用它加上进口来为自身制造新的物品。逐步增长也允许将设计分成比完全自动化版本更小的步骤。

这些变化降低了启动的成本、复杂性和工作量。系统工程和软件开发中的方法可以在这种逐步方法中使用，以组织和优化增长。工厂的更小更简单的“启动套件”或“种子”的概念现在是我们的方法的核心特征。

长期以来，人们一直在建造复杂的系统，如城市和文明。因此，我们最后的改变是将自我改进泛化到所有类型的系统，而不仅仅是工厂生产。我们积累的知识和经验被用来有意识地设计现有系统和新启动系统的自我改进。

能够自我扩展、升级和复制的系统能够实现指数级增长。这为解决大规模问题提供了物理基础。“整体系统”方法考虑了所有内部和外部输入和输出及其影响。这可以避免产生新问题。我们的知识库不是固定的，系统演变可以是无限的。因此，改进的系统不必达到某个固定的最终目标。我们可以预期它们会随着时间的推移不断增长和演变。

以下子部分将提供有关概念的发展和特性的更多细节

1.1 - 自动化

人类已经能够从可用的材料中复制简单的工具数百万年。但是，要复制现代的复杂设备，并有效地做到这一点，自动化是一项关键技术。自动化之路最初非常缓慢，但在最近几年加速发展。

古代工具，如手斧，没有活动部件，由人力驱动。它们存在的时间比现代人类还要长。机器有活动部件，如齿轮。构成机器的大部分简单元素是在农业发展后的 12,000 年左右发明的。在这个时期，使用驯养动物来提供额外动力也发展起来。这与我们物种约 30 万年的历史相比，是比较近的事情。风车和水轮等机械动力源大约在 2000 年前开始使用。受控火是古老的，但用它来驱动机器只有几个世纪的历史。自那时起，我们的机器的复杂性和它们的新能源源泉一直在加速发展。

动物具有一定的自我控制能力。例如，拉车的马可能在没有驾驶员持续关注的情况下，以稳定的速度沿着一条路径行走。马的感官和神经系统控制着它们的肌肉来完成这一动作。最早的机械控制是为了让时钟以稳定的速度运行。公元前 270 年左右就描述了水钟的一种控制方式。这种控制方式的工作原理是感知设备的某些状态，然后进行调整以达到预期的状态。这种从当前状态反馈以达到预期状态的机制被称为反馈控制。

由风、水或火驱动的更复杂的机器增加了对控制装置的需求，以保持它们的转速、压力和温度在安全和期望的范围内。这种控制装置从 17 世纪开始被发明，并在 18 世纪的工业革命中得到广泛应用。

1882 年商业电力开始使用，推动了 20 世纪早期开关型控制装置的快速发展。最初，人类根据仪器读数做出控制决策。在 20 世纪 30 年代，电气控制开始使用除开关之外的逐步响应。仪器也开始产生电信号而不是视觉信号。这使得控制装置可以直接发出响应，而无需人工干预。

电子设备调节电子的流动或电流。这除了提供电力外，还可以携带信息。自 20 世纪初以来，各种类型的有源器件不断被开发出来。它们以更复杂的方式改变信息信号，例如根据两个或多个输入信号改变输出信号。这种器件已被以越来越多的数量连接起来，以创建执行更复杂功能的电路。

20 世纪中叶，固态电子器件的出现，极大地缩小了电路尺寸，使更多功能能够集成到控制系统中。计算机 使用复杂的电子电路来执行一系列算术或逻辑运算，这些运算基于存储的程序和数据。存储的信息可以更改，使计算机非常灵活。当用于控制机器时，任务也可以改变，而不是多次执行相同的事情。

电力、电子和计算机控制使单个机器功能、整个复杂机器以及构成工艺或工厂的多个机器能够在更少的劳动力的帮助下运行。它们自己控制自己，而不是需要人们做出决定。这项技术被称为自动化。截至 2022 年，计算机和自动化仍在快速发展。

1.2 - 复制

人类存在以来，一直在自然界观察到生长和繁殖。在制造业中，我们使用各种工具和机器来制作产品的完全相同的复制品。产品自身的复制是一个最近的想法，被称为机器复制或自我复制机器。这是一组可以制作其自身完全相同复制品的机器或工厂。

一旦控制理论和自动化得到充分发展，机器复制的想法就变得显而易见。它在 20 世纪中叶的同一时期得到了严肃的理论研究，从对复制细胞自动机的约翰·冯·诺依曼的研究开始。弗里塔斯和默克尔 2004 年出版的一本书，运动学自我复制机器，全面回顾了到那时为止关于复制系统的文献。

1982 年的一份 NASA 研究报告，用于太空任务的先进自动化 (AASM)，介绍了将复制工厂用于月球的概念（图 2.2-1）。他们的想法是使用当地材料和能源多次复制原始工厂。一旦制造了足够的复制品，其总生产能力将转向制造不确定的最终产品，以支持 NASA 的目标。AASM 研究引入了种子工厂一词，指的是从地球交付的第一台工厂单元。在这些书中，我们将其用于更一般的概念，即可以扩展的初始集合，它可以通过多种方法进行扩展，而不仅仅是直接复制其自身的部分。

当时从地球传来的数据速率太低，无法进行远程控制。因此，假定该工厂是全自动的。为此估计的计算机能力为 2 GB 内存和 35 GB 存储空间，远远超出该研究进行时（1980 年）的可用范围。整个种子工厂的重量也估计为 100 吨。阿波罗登月舱可以运载约 5 吨，需要多次飞行，而且它已于 1980 年退役。因此，没有实际的方法来交付工厂。最后，在月球上没有迫切需要进行开采和生产。因此，由于所有这些原因，该想法没有得到进一步发展。

该研究确实考虑了原材料的可用性和材料加工方法，但没有进行完整的资源流动，没有考虑所有材料、能量和数据。第一个电子表格程序，VisiCalc，刚刚在 1979 年推出，计算机模拟和数值分析软件处于相对早期的发展阶段。当时的技术手段无法处理如此复杂的設計。最后，该研究没有考虑该想法在地球上的应用，因为 NASA 的目标不包括改进地球上的制造业。尽管存在这些缺陷，AASM 研究可能是迄今为止对完全自我复制工厂描述的最成功尝试。

1.3 - 更新种子工厂概念

我们在 1.0 节中提到的对原始提案的更改极大地简化了构建有用、可运行系统的过程。它们是：（1）允许人们帮助机器。人类可以完成许多通用的任务，并且可以复制我们自己和我们的知识，（2）允许一组人和他们的设备制造不到完整的复制品所需的全部零件。剩余部分从其他地方供应。以及（3）从仅复制现有零件和材料改为制造新的和不同的零件。这些零件被组装成新设备，以添加到原始集合中。

新项目被添加到初始集合中，形成一个重复序列。每种新工具或机器都与以前的工具或机器一起使用来制造序列中的下一个工具或机器。根据需要添加人员来运行所有内容。这个过程一直持续到扩展后的集合能够制造出所有需要的产品，或者能够制造出原始集合的复制品。在第二种情况下，有些人可以转移到仅与初始集合的复制品一起工作。在这一点上，系统已经完全复制了自身。这种通过中间步骤进行复制的方式被称为间接复制，而原始 AASM 方法使用仅使用初始工厂的直接复制。

AASM 研究假设种子工厂除了复制自身直到达到某些所需能力之外什么也不做，然后切换到支持一个未指明的太空项目。所以我们第四个改变是使用工厂产出的一部分，同时仍在增长，来制造产品以供使用、销售或交易。这可以帮助支付无法内部制造的材料、零件和设备的费用。

月球种子工厂将与文明的其余部分隔绝，并且必须自行复制。我们的更改将系统与社会其他部分相结合。计算机和通信在过去 40 年中得到了极大的改进。因此，太空中的自我改进工厂可以相互连接，而不是相互隔离。

最初的想法是为了能够进行大规模的太空项目，而无需从地球发射所有东西。但是自然规律在任何地方都是一样的。一个可以在太空中起作用的想法也应该在地球上起作用。地球是大多数文明已经存在的地方，也是我们大多数未满足的需求和问题所在的地方。因此，我们预计种子工厂的第一个也是最常见的用途将在地球上。

这些变化导致了我们在这几卷书中描述的种子工厂概念。但是自我扩展和升级不是工厂的最终目的。它是一种手段，而不是目的。因此，种子工厂会在某个时候停止只为自己制造新设备，并且只销售商品以支付进口费用。随着它的成熟，它还会生产一定数量的成品，供人们使用。从一开始就生产成品，而不是仅仅改进工厂，或者在以后的某个时间开始，都可以。成品与自我改进之间的比例也可以根据需要进行更改。

一个“传统”工厂从一开始就生产有用的产品，但不会生产任何东西来改进自身。这是过去大多数工厂的运作方式。它只需要一组固定的设备来生产一定范围的产品。正在成长和成熟的种子工厂将不断变化。开始时需要什么设备以及后来添加什么设备，取决于所有者的目的和目标。由于这是一个新想法，还需要做更多的工作来找到达到特定成熟状态的最佳初始集合，以及如何为这些工厂提供资金、组织和运营。

1.4 - 多样化、灵活性及增长

我们还不知道一个完全成长的工厂是否能够像 1982 年的研究假设的那样复制自身——在没有人工干预的情况下，只使用当地原材料和能源。这是需要进一步研究的课题。但是，即使我们知道如何做到这一点，从工程的角度来看，它可能也没有意义，因为成本和实用性很重要。

完全自主的复制使得设计变得更加复杂，物理尺寸也更大，因为它在内部执行更多任务。这使得它更加昂贵。一个特定地点也可能没有所有所需材料的可使用量，并且可能没有足够的能量用于密集过程。当仅使用当地资源时，设计必须不那么优化。例如，1986 年一项关于建造太阳能卫星的研究发现，98% 的材料可以从月球获取，但另外 2% 需要从其他地方获取。这表明在月球上制造所有东西的最初想法是不切实际的。

某些零件，例如计算机芯片，也很可能在一个小型工厂内很难制造，而与其相比，直接购买它们更方便。由于资源和困难问题，一个实用的设计很可能复制不到 100% 的零件。这对于任何地点来说都是可能的，不仅仅是月球。一旦在实际设计中允许进口物品，就可以随时间推移改变百分比。

一个入门套装可以用来制作部分材料、零件和成品。其余部分来自外部来源。它们共同用于建造新的设备。新增的设备能够在内部制造更广泛的产品。重复的自我升级会根据需要进行多次。我们称添加新设备以拓宽产品范围为**多元化**。它可以持续进行，直到你制作出所有想要的全系列产品，或达到可实际使用的全套设备。一个**成熟的工厂**就是已经达到这些水平的工厂。

一类新的设备是现有设备的扩展或附件。例如，延长轨道和更大的工作台可以让 CNC 机床加工更大的零件。传统的农业拖拉机是具有多种不同附件的机器的例子。工厂中的模块化车辆底盘或机械臂同样可以接受一系列附件。像装配夹具、夹具、模具和定制切割刀具等物品可以使基本机器更加灵活。选择入门套装成员的标准之一是它可以使用的这些附加物品的数量，以及它可以完成的不同任务的数量。我们称此功能为**灵活性**。入门机器越灵活，你需要的机器就越少。

一个传统的工厂从一套完整的所需设备开始。一个种子工厂从一套较小的设备开始，再加上一套制造其余设备的计划和说明。现代计算机可以以非常低的成本存储这些信息。因此，种子工厂加上扩展计划作为起点将更便宜，但可能需要更长的时间才能增长到所需的产出水平。传统工厂被设计用来生产特定范围的产品。一个成熟的自我升级工厂除了这些特定产品之外，还可以制造大部分自己的设备。因此，它拥有更广泛的可能产品范围，因此能力更强。

一旦可以生产特定范围的产品，就没有必要停止自我升级过程。一旦达到**实际复制**，你就可以复制在给定位置可以实际制作的所有物品，也没有必要停止。除了这些点之外，还可以添加更多设备用于其他流程、材料和产品。自我改进可以持续进行，直到某个位置的资源和设备空间有限，或者人们用尽了他们想制作的东西。因此，种子工厂比传统工厂拥有更大的增长潜力。

1.5 - 规模化

简化的入门套装是降低入门复杂性和成本的一种方法。设备尺寸的规模化是另一种方法。AASM 研究只考虑制作原始设备的精确复制品。但我们知道设备有各种尺寸。显而易见，给定尺寸的工具和机器可以用来制造更大的产品。否则，我们的文明不可能建造像摩天大楼和巨型货船这样的东西。

制作更大物品的一种方法是使用焊接和螺栓连接等固定方法将它们从较小的零件组装起来。因此，一代工具和机器可以用来制造下一代的更大（或更小）版本。规模化精度而不是尺寸也可以用来制造逐步改进的设备类型。

另一种规模化方法是使用在至少一个轴上开放式的流程。一个例子是制造结构钢型的轧机。轧制过程不限制你通过它的金属零件的长度。它只受你两侧有空间多少的限制。在二维和三维中，一个例子是混凝土结构的浇筑。模板、混合和浇筑设备可以移动，依次在不同的部位工作。因此，像机场跑道这样的成品结构可以比制造它的设备大很多倍。

规模化可以从最方便的尺寸开始，然后在连续的设备世代中多次应用，直到达到所需的最终尺寸。理论上，你可以从微观机器开始，以最小尺寸、成本和使用材料开始。但在实践中，任何尚未自动化的操作和维护都需要人工交互。这些任务应该从人们可以直接处理的规模开始。否则，你需要额外的设备来处理非常小的或非常大的任务。

每代规模化都需要更多时间，并且可能留下以后不需要的尺寸的设备。规模化还需要为每一代进行一些重新设计，因为系统的并非所有部分都能等比例缩放。最后，给定数量的工具和机器的设计工作量相对恒定，无论它们的大小如何。因此，从较小尺寸开始的材料节省最终将相对于总设计成本变得微不足道。所有这些因素都将用于选择从什么尺寸开始，以及之后如何进行规模化。

1.6 - 技术水平

AASM 研究做出的最终假设是完全自动化。这是因为即使对于月球上的一个工厂，更不用说 1000 个副本，1980 年的通信技术也不可能实现远程控制。我们不需要对当前的种子工厂概念做出这样的假设。一方面，某些任务要么太难自动化，要么很少做，所以不值得尝试自动化。让人们去做那些事情更容易。另一方面，尝试从一开始就自动化所有事情需要更多设备和更多设计工作。最后，现代通信已经有了足够的改进，使人们通过远程控制进行远程控制成为可能。

与其假设完全自动化，你可以从任何实际可行的方案开始。CNC 机床和 3D 打印机是现有的半自动化设备类型。它们可以在设置作业和取出成品之间自行运行。因此，它们是入门套装的不错选择。随着时间的推移，你可以添加机器人和自动化库存系统来接管设置和移除工作，从而提高自动化程度。通过设计，你可以部分制造自己的设备，因此以后添加它们将比一开始就尝试购买它们便宜得多。从部分自动化开始还可以让你将更复杂的自动化的设计推迟到以后。这降低了入门成本。

最低的成本是从没有任何工具开始，并通过手工制作粗制工具来引导。但对于现代文明来说，这是不必要的。对于许多项目来说，从一定数量的负担得起的工具和动力工具、一些较大的固定和移动机器以及一些使用自动化、机器人、软件和 AI 的智能工具开始是有意义的。购买这些已经设计好并投入生产的物品将比从头开始更值得花费时间和劳力。从一开始使用多少以及使用哪种设备将取决于参与的人员、可用资源、地点和项目目标。

1.7 - 关于入门套装和升级

入门套装并不是一个新主意。它们在历史上被广泛使用，特别是在开拓新地区时。最初，这些是手持工具，用于狩猎、砍伐和研磨。携带它们的需要限制了它们的总重量。随着技术的进步，船舶和货车可以运载更大的入门套装，然后在目的地建造结构来容纳它们。这些套装包括植物种子、动物、工具以及成品的库存，如钉子和布料，这些东西最初无法生产。

一旦定居者到达，他们就开始清理土地、种植作物和建造房屋。随着时间的推移，他们开始制作自己的工具和产品。在那之前，他们与其他地方交易他们还无法制造的物品。入门套装的内容随着时间的推移而有所不同，但人们普遍认为，你需要一个入门套装才能在一个新地方生存。

在现代世界，在一个新地方重新开始的想法变得不那么普遍了。交通运输的改善和廉价的大规模生产可以以合理的成本提供足够的成品和物资，从而避免使用入门套装。但一个想法仍然有用，即使它目前并不流行。我们可以通过使用 21 世纪的设备和方法来更新入门套装的基本理念。然后，我们可以将其用于已经开发的地区，以更低的成本启动新项目。它也可以用于更困难和偏远的地方，否则这些地方难以利用。

有车间的人习惯于用他们已经拥有的工具和机器制作储藏室、工作台、夹具和其他升级。因此，自我改进的想法已经成为他们思维的一部分。有时，木材和金属商店将使用他们自己的设备建造全新的机器。但这种车间通常不会生产所有零件和材料。他们制作更容易制作的物品，并购买轴承和电机等更难制作的物品。

人们在历史上也复制了工具和设备。例如，木匠可以使用现有的工作台来帮助制作另一个工作台。但进行复制的是人，而不是工具自身进行复制。智能工具的开发意味着机器能够更有效地集体复制和改进自己，而不需要太多人来做这项工作。

1.8 - 超越工厂生产

我们最后也是最不成熟的想法是将自我改进推广到工厂生产以外的其他系统。我们可以考虑人们作为个人提升自己的技能和经验，或者在群体中帮助彼此提升。我们可以考虑设计自我改进的生态系统，其中先锋物种为后来的物种铺平道路，等等。这里的核心思想是有目的的设计和规划改进。系统思维被用来解释相互作用和副作用，从而避免在解决现有问题的同时创造新的问题。提前思考非常有用，也许还不够经常或不够深入。将自我改进推广到更广阔的领域需要更多工作和思考，但最终会带来广泛的益处。

2.0 - 当前状态和项目

据我们所知，还没有人建造过一个从启动套件开始、制造大部分甚至全部用于自身扩展的物品、并使用高水平自动化的工厂。除了农业和一些软件之外，还没有实现完全的自我复制。像农场这样的混合系统同时具有生物和非生物元素。植物和动物，包括农民，可以自我复制，但建筑物和设备却不能。

关于人工自我复制的工作主要是在理论层面，只有一些简单的原型。因此，这种方法不如其他类型的制造业成熟。那些已经建造了多个项目，并进行了运行，并因此积累了知识和经验。我们希望将自我改进系统和种子工厂提升到类似的水平。因此，本节将回顾迄今为止所做的工作，并在第 3.0 节中列出开放性问题和需要进一步开展的工作。

像我们在这几本书中描述的那些新想法和方法，并不是孤立发展的。它们利用了其他科学、技术和社会科学领域的知识和经验。因此，了解这些其他领域的现状和进展也是必要的。在这里进行详细讨论既不合理，也会很快过时。相反，我们将指向其他资源来获取这些信息。随着这些书籍中工作的进展，我们预计会定期更新来自其他领域的信息，并在需要时将它们整合进来。

2.1 - 现有知识和经验

我们希望设计出可以从启动套件演变为高度集成和自我运行系统的项目。它们既为自己进行改进，也为其他人提供各种成品。为了提高效率，我们预计它们将使用大量的计算机、软件和通信来运行。我们也希望使用自动化、机器人和人工智能来减少人工劳动。

这些技术共同实现了智能工具和智能系统，它们可以在很大程度上独立运行。因此，信息技术（IT）和智能工具成为这些类型项目的演进的核心主题。这两个主题都在飞速发展，因此保持最新状态非常重要。更基本的启动套件和更简单的项目可以依靠没有广泛的 IT 和智能功能的设备。这种设备的演进速度并不快，因此需要更少的关注才能保持最新。然而，即使是先进的智能系统也需要基本工具进行维护。

信息技术

计算机、软件和电信统称为信息技术。IT 设备用于存储、检索、传输和操作数据。这种设备被用于现代制造的各个阶段，从生产设备和产品的初始设计到工厂运行的控制，以及与外部实体的通信。它是一个非常大的行业，2017 年的估计支出为 3.5 万亿美元，占世界 77.8 万亿美元的衡量经济活动（世界生产总值）的 4.5%。截至 2022 年底，亚马逊网站在搜索“信息技术”时列出了超过 50,000 个结果，而美国国会图书馆返回了该词条的 10,000 个结果。这些来源中的最新标题是了解其现状的起点。

快速改进是构成 IT 系统的硬件和软件元素最显著的特征。例如，当美国宇航局在 1980 年研究自我复制工厂时，估计运行这些工厂所需的计算能力相当于当时世界上最快的超级计算机。如今，同样的计算能力已经被一台基本智能手机所超越，并且预计会持续改进。维基百科的信息技术类别中列出的子类别和页面可以作为更具体的主题领域的起点。还有许多IT 组织，其成员和出版物是获取最新信息的来源。

智能工具和系统

这些工具用硬件和软件取代了人类决策的一部分，用于控制设备。它包括自动化、机器人技术、软件和人工智能领域。以下信息来源和组织可以作为了解其现状的起点

自动化是指使用控制系统和信息技术来减少在提供商品和服务方面对人工劳动的需求。自动化领域很大，以至于国际自动化学会拥有超过 40,000 名成员，美国国会图书馆在搜索“制造业自动化”时列出了超过 900 本书籍。特别值得关注的是数控机床，称为 NC 或 CNC（计算机数控）。机床从基本库存形状中加工金属或其他刚性材料的零件。由于机床本身主要是由金属零件制成的，因此这种工具可以帮助制造更多类似的工具。

同样值得关注的是3D 打印，它通过在计算机控制下添加材料来制造零件。这些打印机可以制造一些自己的零件，只要这些零件是由它们可以打印的相同材料制成的。机床和 3D 打印机也可以为许多其他类型的机器制造零件，以及许多成品。

机器人技术关注可编程机器，与执行固定操作集的机器不同。这两个领域自 20 世纪中期以来密切相关并平行发展，这是因为电子设备和传感器变得足够好。机器通常会涉及运动，但过去，运动类型是由设计决定的。机器人是可以在自动化或远程控制下执行运动的机器，其中具体的运动不是固定的。您可以通过更改机器人控制输入来更改它执行的任务。机器人技术和自动化现在广泛应用于制造业，并开始应用于其他环境。

机器人技术自 20 世纪中期以来迅速发展，当时“机器人技术”一词被创造出来，第一个现代可编程机器人被开发出来。现在有许多组织和公司参与其中，IEEE 机器人与自动化学会拥有来自 120 个国家的 13,000 多名成员。亚马逊网站列出了超过 20,000 本与机器人技术相关的书籍，而美国国会图书馆在搜索词“机器人技术”时列出了超过 4600 个项目。

软件是计算机程序和相关数据的集合，告诉计算机该做什么。计算机反过来可以控制工具和机器。计算机科学和软件工程领域也自 20 世纪中期以来发展起来，与电子计算机的发展并驾齐驱。全球软件开发人员数量现在已达数千万，计算机和软件构成了我们文明的重要组成部分。这些技术对于更先进版本的种子工厂和自我扩展系统也将是必不可少的。

人工智能一般是指模拟或超越人脑功能的机器。就我们工作的目的而言，我们主要关注用于提供商品和服务的函数。该领域成立于 20 世纪中期，但在 1970 年代至 1990 年代（人工智能“寒冬”）进展缓慢，这是由于实际应用和可用计算能力方面存在困难。从那以后，理论、跨学科和硬件方面的改进导致了快速发展。人工智能促进会现在拥有 4,000 多名成员，亚马逊列出了大约 30,000 本关于人工智能和机器学习的书籍。美国国会图书馆在“人工智能”和“机器学习”这两个词条下编目了近 10,000 个项目。

其他领域

除了上面提到的核心科目之外，还有许多其他科学、技术和社会科学的分支，在设计和构建自我扩展和自我改进系统方面非常有用。在科学领域，有 **地质学**、**化学**和**农业科学**，用于理解原材料，加工它们以及种植生物产品。在技术领域，有 **建筑**、**机械**、**电气**、**运输**、**采矿**和**制造**工程。**社会科学**关注的是个人以及他们在群体中如何互动。它与任何包含人员的项目都相关。其他知识领域也可能证明有用。

科学和技术本身都是非常广泛的学科。在处理自我改进型项目时，您可以开始使用维基百科的 **自然和物理科学**和**技术和应用科学**概述，以及从这些概述链接的许多单独文章和参考文献来确定哪些部分有用。另一个起点是美国国会图书馆的 **主题分类概述**，尤其是 Q、S 和 T 类别。从这些概述中，您可以识别出更具体的主题，然后使用图书馆的在线目录识别出具体的标题。除了在线和已出版的信息之外，联系在特定领域工作的个人并获得他们的帮助来识别当前的技术水平非常有用。

2.2 - 相关主题和项目

[注意：本小节可能需要更多参考文献。]

我们已经确定了与自我改进和种子工厂类型系统相关的广泛知识领域。它们也可以用于任何项目或产品，这些系统可以反过来产生。这些领域的一个子集以及使用它们的活动与这些书籍中的主题更为密切相关。**种子工厂项目**尤其致力于此。相关主题的部分清单包括

相关主题

一个完整的文明，包括其中的所有人，可以被认为是自我扩展的，并且具有自我复制的元素。因此，文明及其技术的增长和演变是有趣的。

基因工程生物体复制使生物技术成为一个相关领域。

软件系统能够在合适的支持硬件的情况下复制自己。因此，计算机科学和软件工程的大部分内容都是相关的。

现有的自动化和机器人技术

有大量的工厂使用一定程度的自动化。其中一些工厂生产与工厂本身使用的产品相同类型的产品。一个著名的例子是 **哈斯自动化**，这是西方世界最大的机床制造商。他们自己工厂中三分之二的金属切削机床是在内部制造的。他们制造的机床是计算机控制的，并且经常无人值守运行，因此他们的生产线基本上是自我操作的。

一般 **3D 打印** 或 **增材制造** 过程是将材料在计算机控制下串联添加到零件中。这与使用切割工具的机械加工相反，机械加工从未加工的材料中去除材料以生产零件。某些 3D 打印机，例如 **RepRap 3D 打印机**，有意设计为打印其自身零件的副本，同时也能制造用于其他用途的零件。单台 3D 打印机无法从构成它们的所有类型的材料中制造零件，也无法制造更复杂的零件，例如电机和电子设备。因此，它们只部分自我复制。

自我扩展

组装是生产的步骤之一。部分自我组装的一个例子是国际空间站，在那里使用大型机器人手臂安装了空间站的额外部分。较小的建筑起重机经常用于组装较大的起重机，并且建筑项目的完成部分可以用来帮助完成自身。例如，高层建筑通常将起重机和电梯安装在现有部分的侧面或顶部。

相关项目

一些项目涉及部分自我扩展和复制，或朝着这样的系统进行研究，包括

**开源生态** - 这是一个正在进行的项目，旨在开发一个“全球村庄建设套装”，该套装包括 50 台机器，旨在共同生产大多数自身组件并满足大多数人类需求。除了机器之外，您还需要足够的土地和劳动力来操作它们。这是一个有意设计的入门套装，机器设计便于制造。

该项目的特点是建造和测试实际硬件，在某些情况下，还包括多个版本和副本。对该项目的批评包括“散弹枪”设计方法，没有说明为什么这 50 台是应该建造的正确机器，应该按照什么顺序建造它们，或者需要什么尺寸。另一个批评是静态的自动化水平，而不是从更简单的级别开始并进行升级。包含的机器仍然需要大量的劳动力来操作。该项目似乎在 2011-13 年的初始努力爆发后进展缓慢。

**美国宇航局原位资源利用 (ISRU)** - 2010 年美国宇航局 **技术路线图**（PDF 文件）确定将当地材料和能源用作未来太空任务的重要技术领域。ISRU 类别，技术领域 7.1（路线图文档的第 2.2.1 节）包括采矿和生产任务，并提到了自我复制和维护。这些与种子工厂所涵盖的思想相似。

截至 **2017 年预算估算**，美国宇航局将他们太空技术计划资金的一小部分用于先进制造和 ISRU，处于概念水平和一些实验测试。这项工作分布在美国宇航局的几个中心（艾姆斯、马歇尔和肯尼迪）。美国宇航局通常关注单个技术要素，并且缺乏强大的系统分析方法。因此，它低估了这项技术对其整体计划的杠杆作用，并且与发射载具和推进等领域相比，资金不足。他们也没有考虑这项技术的地球应用，因为地球制造不在该机构的任务范围之内。

3.0 - 种子工厂项目

这些书籍是作为种子工厂项目的一部分而开发的，该项目完全致力于研究和测试自我扩展和自我改进型系统。这些书籍和该项目的其他工作远未完成。这里我们简要介绍一下该项目的历史和进展。我们欢迎来自他人的交流和对我们工作的贡献，包括对这些书籍的贡献。您可以通过前言页面末尾列出的联系方式联系我们。

3.1 - 背景和起源

大约在 2011 年，作者（Eder）注意到 1982 年 AASM 研究中不足的计算机和通信水平已通过这些领域取得的快速进步而得到解决。作为一名空间系统工程师，我为 **人类扩张** 进行了概念设计研究，该研究超出了地球范围，作为 **空间系统工程** 教科书的一部分。该研究包括使用种子工厂，因为它们现在似乎是可行的。该研究已扩展，并构成了本书的第 4 部分，而这本书现在是这套书的第 II 卷。

自我扩展生产被确定为使大型太空项目负担得起的关键技术。从当地材料生产燃料、其他用品和硬件大大减少了需要从地球运来的质量和成本。不久之后，我意识到这项技术在地球上也有价值。它可以用来制造与太空项目无关的产品，以及建造太空硬件和将它运送到太空的运输工具。在地球上获得的这种制造系统的经验可以应用于未来的太空项目。

地球上的需求更为紧迫，而且当前的规模远远大于太空。因此，到 2013 年初，研究工作已转向首先设计地球版本的种子工厂。这里的工作环境、材料和能源来源、可用人员以及设备交付的难度都有很大不同。这会导致不同的设计和发展路径。自我改进/扩展/进化/升级系统的想法在智能工具时代也显得尤为重要。

因此，我们开始了第二本书（本书），以全面介绍自我生产和种子工厂的概念及其在地球上的应用。这两本书现在是一套两卷本，第 II 卷涵盖了太空中截然不同的环境。它们不仅通过应用相同的思想联系在一起，而且因为第一个用于太空自我改进系统的设备将来自地球。我使用复数“我们”，因为到目前为止，这些想法已由多人讨论，并且我们收到了除了我自己之外的编辑和财务贡献。

新思想的理论发展，例如我们研究中的思想，是必要的第一步。但它们的真正价值来自于将它们付诸实践。因此，我和其他人启动了种子工厂项目，以超越想法，开发和建造物理原型和系统以证明这项技术的有效性。该项目旨在成为一个开源协作，以分享知识并提供相互帮助。使用该技术制造的特定产品或物理系统将是私人拥有的。如果原型获得良好的结果，那么下一步就是建造工作工厂和生产网络。获得的经验将被纳入这些书籍。

3.2 - 2013-2016 年的工作

2013 年的工作重点是为一个拥有数百人的可持续社区设计一个单一方案。目标是从成熟的社区工厂及其生产的产品中满足他们 85% 的物质需求。其余需求将通过外部来源满足。85% 被认为是第一代设计的一个合理目标。该设计研究已归档在项目工作簿的第 2.3.2.9 节 A和本书第 9.0 章的笔记中。

通过对该研究结果的分析，我们确定了四个不同的设计示例，它们在成熟后具有不同的应用。其中第一个，个人生产，与原始研究相关，但更多地关注早期阶段以及如何引导项目启动。它在本书第 5 章中进行了描述。另外三个是Makernet（第 6 章），它是一个分布在多个地点的生产网络；工业生产（第 7 章），它研究从小型设备发展到大型生产的方案；以及偏远和恶劣地区（第 8 章），它研究为远离发达地区、居住条件较差或两者兼而有之的区域提供启动资金和小型设备的方案。

所有四个示例目前都处于不完整状态。通过进行几种不同的设计，我们希望能够演化出通用的设计原则和方法。它还应表明不同的最终目标如何影响开始时要做什么，以及哪些领域需要更多研究和技术改进。

除了具体的示例设计外，我们还开始开发设计过程的工具。其中之一是资源模型和流程网络。它跟踪外部来源的输入和输出，以及工厂各个要素之间的输入和输出，以及产品的最终用户。这样可以确保所有资源都被计算在内，并且工厂设备尺寸合适。通过将成熟的工厂视为产品输出的一部分，您就可以回溯到找到一个引导到选定终点的启动设备。我们希望将传统的工程设计方法与我们开发的任何新方法（例如资源模型）结合起来。

2014 年花在了为西南亚特兰大都会区寻找、购买和开始建立一个研发场所上。该房产占地近 3 英亩，并附带一些现有的建筑物，足以开始工作。如果项目超出了这个空间，该地区还有许多工业建筑和未开发的土地。2015 年主要用于项目规划、高级系统工程、建立办公室和整理项目技术文件。

从那时起，我们投入了大量精力来构建一个技术参考库。这样做一部分是为了让除我们自己以外的人获得启动自己项目的知识和技能。它还收集了各种领域的大量“操作指南”和计划。该库已完成“1.0 版”，包含大约 15,000 个项目。

种子工厂的想法最初是用来让大规模太空项目可行的，这仍然是最终目标。高级系统工作导致了一份关于将文明扩展到地球以外的报告，将其作为一项关键技术。该工作的一个重要成果是确定了一个项目阶段的逻辑顺序，从家庭/业余爱好规模的生产开始。每个阶段都可以生产用于下一阶段的设备，如果做得足够远，就可以扩展到整个太阳系乃至更远的地方。在 2016 年，我们开始将该计划整合到这两卷书中，本书中描述了早期的阶段，而第二卷则描述了后期的与太空相关的阶段。

3.3 - 2017 年至今

我们继续开发这两本在线书籍，以及相关项目数据，这些数据大多可以在上面链接的项目工作簿中找到。同时，我们还在继续开发我们的研发站点，计划建立一个生产合作社作为第一个示例的示范，组建技术团队，并与其他团队和项目合作。我们已经开始与当地的创客空间合作，他们已经拥有完善的车间，但 COVID-19 大流行及其造成的经济问题暂时停止了外部活动。

4.0 - 问题和计划

自我改进并不新鲜。生态系统、文明和人在他们生命过程中的长久时间里一直在自我改进。然而，有目的地设计用于自我改进的技术系统是一个相对较新的想法，作为一种组织生产的方式，它大多没有被尝试过。您目前还不能购买现成的启动设备或获得它们的设计图纸和说明，而且有效的示例也还不存在。因此，关于如何设计、构建和运行它们，还存在一些未解决的问题。我们在这里收集了一些问题，以激发思考和进一步的工作。其他需要研究的问题和主题贯穿这两本书和我们的项目笔记。

解决这些问题的一种方法是为我们的项目制定一个研发计划，我们将在下面开始进行。但未知数比我们能够在小型项目或两本书及其支持数据中合理预期覆盖的要多。一个自动化的种子工厂将是一个涉及多个工程领域的复杂设计。因此，我们邀请其他人参与这项工作。我们希望借助您的知识、经验和创造力，我们将这种系统引入实际应用领域。

4.1 - 开放性问题

可行性

现有技术是否足以满足自我扩展、循环利用和自动化的预期目标？

-- 如果没有，需要哪些新技术或改进？

设计

特定启动设备中应该包含哪些内容，以及应该按照什么顺序添加新设备？

-- 启动设备和发展路径如何取决于成熟系统的规模和产品类型？

-- 启动设备和发展路径如何取决于特定地点的资源和环境？

-- 在使用通用设备和附件与使用更专业和专用单元之间，何时是更好的选择？

增长

提高自我生产（封闭）和自动化百分比的最佳路径是什么？
提高总生产能力的最快方法是什么？
启动设备的复杂性、物理规模、初始成本和增长率之间存在哪些关系？

经济和社会问题

纯粹从财务角度而言，自扩展系统与传统工厂在资本和生产成本方面相比如何？
与传统的专业工厂相比，种子工厂方法是否能更好地满足人们的物质和其他需求？
生产能力应该如何分配到内部维护和增长、所有者的输出以及销售的产品？
自我所有制、学习新技能和减少对传统工作的需求会带来哪些社会影响？
如何组织项目以避免加剧经济不平等？

4.2 - 研发计划

需要大量工作来回答上述问题，并将完成的设计和有效的示例引入现实。这类工作通常被称为研究与开发 (R&D)，并且必须在系统生命周期中的后期阶段（如制造和运营）之前逻辑地进行。自我改进系统的设计可能非常复杂，因此我们采用系统工程方法，这些方法是为处理整个生命周期中此类复杂系统而开发的。这包括工作的研发部分。

上面第 1.0 节中提到的用于自我改进系统的概念和功能组合是新的。但是构成此类系统的许多元素，例如所使用的生产流程，则不是新的，并且有着悠久的历史。那些新的元素首先需要探索、选择和测试。将一项新技术从最初的想法发展到准备好广泛使用，是研发过程的一部分。

一项技术在该过程中的位置可以通过技术就绪等级量表来衡量。在运营系统中使用一项技术之前，它需要达到足够的技术就绪等级。还需要进一步工作将现有元素和新元素整合到一个连贯的系统中，这是一个称为系统集成的过程。

还需要工作来证明自我改进的潜在优势实际上是真实的，有多大，以及在什么情况下。证明的早期步骤包括初步设计、数学模型和模拟。之后是构建原型并对其进行测试，这个过程称为系统验证。

作为研发工作的开始，我们可以确定上面第 2.0 节中识别的领域中知识和经验的现状。我们还可以查看相关项目和技术中取得的进展。通过将现有知识和当前工作与我们提出的系统所需内容进行比较，我们可以开始制定计划来填补差距。

在开始时，我们并不知道我们不知道的一切。在概念探索、设计甚至测试和运营的后期阶段，还会出现额外的研发需求。例如，我们可能会发现原型测试中的缺陷，这需要对特定技术进行进一步改进。因此，在这一点上，我们只能开始研发计划，并预计计划会持续演变。

4.3 - 研发流程和已确定任务

尽管我们对自我改进系统的理解不完整，但我们认为我们已经了解得足够多，可以开始针对特定目的进行研究和开发设计。我们可以对每个系统应用程序遵循类似的研发流程，尽可能重复使用特定技术和设计。这项工作可以分为适用于不同系统的通用研发，以及针对特定应用和示例的任务。

以下任务列表包含了我们目前已识别的内容。它只是初步的，随着更多人参与到概念中，开发新想法，并更好地理解需要完成的任务，它需要进行广泛的修改。

4.3.1 - 通用研发任务：

(1) 继续概念性工作 - 这包括以下组成部分任务

确定自扩展集成系统关键参数和公式，以便对其进行建模和优化。
将自动化、机器人技术、软件、人工智能和其他相关领域的最新技术与这类系统中所需的技术进行比较。这既可以确定可行性，也可以定义需要进一步研究和开发的领域。
收集他人开发的设计和概念，以查看它们是否适用或是否可以进行改编。
以更详细的方式完善示例应用，以整合上述自扩展和其他概念，验证其可行性，并估计其成本和经济效益。

(2) 组件研究

如果确定需要新的或修改后的技术，则此任务涵盖技术开发。它包括理论概念、分析设计以及实验室和组件级测试。一旦经过充分测试，该技术就可以添加到可用产品组合中，用于对完整系统元素进行详细设计和原型制作。组件级工作可以在任何地方作为开源协作进行。

(3) 持续工作

在开发出初始原型后，可以将它们转入一个由所有者和运营商参与的运行项目中。这样的项目将证明整个系统按预期运行，并满足最初的设计目标。来自实际使用的反馈将有助于设计改进和升级，以及后代版本。

研发工作将与运营使用同时进行，原因有以下几点。首先，不太可能在一开始就开发出理想的设计。其次，除了最初的项目之外，其他地点和产品可能需要修改后的设计和更多测试。第三，技术本身不会停滞不前。最后，一组最初的项目类型并不能涵盖所有可能需要的设备类型。

持续工作将开发升级和新设计，并在准备好时将其反馈给现有和新项目。不同类型地点的原型要么在这些地点建造，要么在现有设施中建造，然后交付。使用最初的原型来帮助建造后来的设备可以证明设计的扩展能力。

4.3.2 - 研发地点的研发

开展研发工作的场所也需要进行设计。这包括办公室、实验室、原型生产区域和测试场地。在某些情况下，可以使用现有的设施和设备，但在其他情况下，则需要进行修改，或需要独特的设计，例如用于特殊测试室。此标题下的许多子任务还有待确定，但我们可以确定以下内容

建造传统车间 - 用于制造定制原型元素。在更合理的情况下，这些元素可以在其他地方生产，然后交付和组装。
建造原型测试区域 - 一旦原型组装完成，就必须通过运行对其进行测试。这需要一个合适的地方来进行测试，无论是在室内还是室外。

4.3.3 - 个人生产的研发

此任务包括针对第一个设计示例（个人生产）的特定工作。

初步设计 - 此步骤将概念级设计转换为尺寸和配置元素，这些元素已准备好进行最终图纸准备。例如，对于工厂中的机床，初步设计级别将指定主要部件的尺寸、功率等级、精度，并提供布局图纸。对于软件，初步设计将确定主要功能、输入和输出，以及它们之间的关系。

建造原型 - 这包括设计原型元素，为其设置生产和测试区域，以及实际制造和测试原型。工厂元素的小规模原型可以在分布式地点建造。最终，大型原型或将多个工厂流程链接到一个完整的系统将需要一个专门的固定地点。对于收集可再生能源和种植有机材料来说尤其如此，这需要大量的土地面积。该项目可以与其他研发机构、非营利组织等已经拥有设施的机构合作，如果这样做可以更容易地取得进展。该项目中获得的任何知识和经验随后将被传播出去，以造福大众。更详细的步骤包括

设计原型硬件 -
设计原型软件 -
制造和组装原型硬件 -
测试原型 -

4.3.4 - MakerNet 的研发

这包括针对第二个设计示例的特定工作。此研发活动和以下研发活动将遵循与个人生产类似的模式。

4.3.5 - 工业生产的研发

这包括针对第三个设计示例的特定工作。

4.3.6 - 偏远和困难地点的研发

这包括针对第四个设计示例的特定工作。