自我複製航天器

自我複製航天器的概念最早由數學家約翰·馮諾伊曼提出，並被未來學家們所描繪，這一概念也廣泛出現在許多硬科幻小說和故事中。自我複製探測器有時被稱為馮·諾依曼探測器。自我複製航天器在某些方面可能會模仿或呈現出類似於生物或病毒的特徵。

理論

馮·諾依曼認為，執行大規模採礦任務（例如開採整個月球或小行星帶）的最有效方法是利用自我複製航天器，充分發揮其指數增長的優勢。理論上，自我複製航天器可以被送往鄰近的行星系統，在那裡它將尋找原材料（從小行星、衛星、氣態巨行星中提取）來製造自身的複製品。這些複製品隨後會被發送到其他行星系統。而原始的「母艦」探測器則可以繼續執行其在恆星系統中的主要任務。這個任務的具體內容會根據所提議的自我複製星際飛船的不同變種而有所不同。

根據這一模式，以及其與細菌繁殖模式的相似性，有人指出，馮·諾依曼機器或許可以被視為一種生命形式。在大衛·布林的短篇小說《肺魚》中（參見《科幻中的自我複製機》），他觸及了這一觀點，指出不同物種發射的自我複製機器可能會在資源上相互競爭（以達爾文主義的方式），甚至可能有衝突的任務。考慮到「物種」的多樣性，它們可能會形成一種生態系統，或者如果它們具備某種人工智能形式，它們甚至可能會形成一個社會。它們甚至可能在數千代中發生突變。

1980年，羅伯特·弗雷塔斯（Robert Freitas）發表了第一篇關於自我複製航天器的定量工程分析。他將原本非自我複製的代達羅斯計劃設計進行了修改，加入了所有自我複製所需的子系統。該設計的策略是，利用探測器將一個質量約為443噸的「種子」工廠送到一個遙遠的地點，讓種子工廠在那裡製造出多個複製品，從而在500年內增加其總製造能力，然後利用由此建立的自動化工業綜合體來建造更多的探測器，每個探測器上都裝有一個種子工廠。

有理論認為，如果自我複製的星際飛船採用相對常規的星際旅行理論方法（即不使用特殊的超光速推進技術，速度限制在「平均巡航速度」0.1 c.以內），它們可能在50萬年內就能遍布整個銀河系。

關於費米悖論的爭論

1981年，法蘭克·迪普勒提出了一個論點，認為外星生命並不存在，理由是馮·諾依曼探測器尚未被觀察到。考慮到自我複製的速度和銀河系的歷史，這些探測器應該已經在太空中普遍存在，因此我們早就應該遇到它們了。由於我們尚未遇到它們，這表明外星智慧生命並不存在。這也成為了解釋費米悖論的一種方式——即，如果外星智慧生命在宇宙中普遍存在，為什麼我們至今沒有遇到它們？

卡爾·薩根和威廉·紐曼（William Newman）對此提出了反駁。這一反應現在被稱為「薩根反應」。他們指出，實際上蒂普勒低估了複製的速度，馮·諾依曼探測器應該早已開始消耗銀河系中的大部分質量。因此，薩根和紐曼推測，任何智慧種族都不會設計馮·諾依曼探測器，而會儘量摧毀任何被發現的馮·諾依曼探測器。正如羅伯特·弗雷塔斯指出的那樣，辯論雙方所描述的馮·諾依曼探測器的假定能力在現實中不太可能實現，更為溫和的自我複製系統不太可能在我們太陽系或整個銀河系中產生顯著的觀察效果。

另一個對馮·諾依曼探測器普遍存在的反對意見是，那些能夠製造此類裝置的文明在能夠生產這些機器之前，可能會有很高的自我毀滅幾率。可能的原因包括生物戰或核戰爭、納米恐怖主義、資源枯竭、生態災難或大規模瘟疫等。這種對馮·諾依曼探測器創造的障礙是大過濾器理論的一個潛在候選解釋。

為了避免過度複製的情形，簡單的解決方法是存在的。探測器可以使用無線電發射器或其他無線通訊手段，編程設置為在某個密度（如每立方秒差距5個探測器）或任意限制（如每百年千萬個探測器）內不進行複製，這類似於細胞繁殖中的海弗利克極限。但是，這種防止失控複製的防禦措施也有一個問題，那就是只需要一個探測器發生故障並開始無限複製，整個策略就會失敗——這本質上就是技術性癌症——除非每個探測器也具備檢測相鄰探測器故障的能力，並實施「尋找並摧毀」協議（而這可能會導致探測器間的太空戰爭，尤其是當故障探測器在發現之前成功繁殖到很高的數量時，良性探測器可能會根據編程複製出相應數量，以應對這種「侵擾」）。另一個解決辦法是基於長期星際旅行中航天器的加熱需求。使用鈾作為熱源將限制自我複製能力。即使航天器找到了所需的原材料，也沒有編程去製造更多的鈾。還有一種方法是編程讓航天器清楚認識到失控複製的危險。

自複製航天器的應用

自我複製星際飛船的任務細節在不同的提案中可能會有很大差異，唯一的共同特徵是它們具備自我複製的能力。

馮·諾依曼探測器

馮·諾依曼探測器是一種能夠自我複製的航天器。這一概念結合了兩個思想：馮·諾依曼通用構造器（自我複製機器）和探測器（用於探索或檢查某物的儀器）。這一概念以匈牙利裔美國數學家和物理學家約翰·馮諾伊曼命名，他深入研究了自我複製機器的概念，這些機器他稱之為「通用組裝器」，通常也被稱為「馮·諾依曼機器」。這種構造體理論上可以包含五個基本組件（這種模板的變種可以創造出其他機器，如Bracewell 探測器）：

• 探測器：包含實際的探測儀器和用於引導構造體的目標導向人工智能。
• 生命支持系統：用於修復和維持構造體的機制。
• 工廠：用於收集資源並複製自身的機制。
• 存儲器：存儲所有組件的程序和探測器收集到的信息。
• 引擎：驅動探測器移動的馬達。

安德烈亞斯·M·海因和科幻作家斯蒂芬·巴科斯特提出了不同類型的馮·諾依曼探測器，稱之為「哲學家」和「創始人」，前者的目的是探索，後者則是為未來的定居做準備。

一個近期的自我複製探測器概念已由星際研究倡議協會提出，基於當前和近期的技術，該探測器實現了大約70%的自我複製。

如果自我複製探測器發現原始生命（或原始、低級文化）的跡象，它可能會被編程為保持休眠，默默觀察，嘗試接觸（這一變體稱為Bracewell探測器），或者甚至以某種方式干預或引導生命的進化。

阿德萊德大學的物理學家保羅·戴維斯曾「提出一個可能性」，即探測器曾在地球古代的史前時期到達並停留在月球上，作為觀察地球的觀測站，這一概念根據加來道雄的說法，斯坦利·庫布里克在他的電影《2001太空漫遊》中也採用了這一設想（儘管導演最終將相關的巨大石碑場景剪掉了）。庫布里克的作品基於阿瑟·C·克拉克的故事《哨兵》，該故事經過庫布里克和克拉克的擴展，成為電影的小說基礎。因此，戴維斯的月球探測器/觀察站概念也被認為是對克拉克設想的致敬。

另一個關於星際馮·諾依曼探測器的變種設想是弗里曼·戴森提出的「星雞」。它與常見的自我複製、探索和與「家園基地」的通信特徵相同，但戴森設想的天體雞是用來在我們自己的行星系統內探索和運作，而不是探索星際空間。

安德斯·桑德伯格（Anders Sandberg）和斯圖爾特·阿姆斯特朗認為，通過自我複製探測器發起對整個可達宇宙的殖民活動完全在跨星文明的能力範圍之內，並提出了一個理論方法，預計32年內通過開採水星的資源並圍繞太陽建造戴森球來實現這一目標。

狂暴者

自我複製星際飛船的一個變種是「狂暴者」。與溫和的探測器概念不同，狂暴者被編程為每當遇到生命體或有生命的系外行星時，便會尋求並消滅它們。

這一名稱來源於弗雷德·薩貝爾哈根（Fred Saberhagen）的《狂暴者》系列小說，描述了人類與這些機器之間的戰爭。薩貝爾哈根通過其中一個角色指出，小說中的狂暴者戰艦本身並不是馮·諾依曼機器，但更大的狂暴者機器複合體——包括自動化船廠——確實構成了馮·諾依曼機器。這再次引出了馮·諾依曼機器生態系統的概念，甚至可能是馮·諾依曼蜂巢實體。

在科幻作品中有猜測認為，狂暴者可能是由一種仇外的文明創建並發射的（參見葛瑞格·貝爾的《星之錘》小說，在下文「科幻中的自我複製機器」部分）。或者，它們也可能理論上從較為溫和的探測器「突變」而來。例如，專門設計用於行星改造的馮·諾依曼飛船——採礦行星表面並調整其大氣使其更適宜人類生活——可能會被解讀為在改變行星環境的過程中攻擊先前有生命的行星，殺死其生物，並通過自我複製派遣更多飛船「攻擊」其他星球。

複製播種船

自我複製星艦概念的另一種變體是播種者飛船。這種星艦可能會儲存來自母星的生命形式的遺傳模式，甚至可能是創造母星的物種的遺傳模式。一旦發現一顆宜居的系外行星，甚至是一顆可以進行地球化改造的行星，它就會嘗試複製這些生命形式--要麼從存儲的胚胎中複製，要麼從存儲的信息中複製，利用分子納米技術，用當地的原材料製造出具有不同遺傳信息的受精卵。

這種飛船可能是地形改造飛船，為以後其他飛船殖民殖民地世界做準備，或者--如果它們被編程為重新創造、撫養和教育創造它的物種的個體--自我複製殖民者本身。播種者飛船將是世代飛船的合適替代品，作為殖民太遙遠的世界的一種方式。