แนวคิดเรื่องยานอวกาศจำลองตัวเองตามที่นักคณิตศาสตร์จอห์น ฟอน นอยมันน์ จินตนาการ ไว้ ได้รับการอธิบายโดยนักอนาคตศาสตร์และมีการอภิปรายกันอย่างกว้างขวางใน นวนิยายและเรื่องราว วิทยาศาสตร์เชิงลึกยานสำรวจจำลองตัวเองบางครั้งเรียกว่า ยานสำรวจฟอน นอยมันน์ ยานอวกาศจำลองตัวเองจะเลียนแบบหรือสะท้อนลักษณะของสิ่งมีชีวิตหรือไวรัส ในบางแง่มุม ^{[ 1 ]}

ฟอน นอยมันน์แย้งว่าวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการดำเนินการขุดขนาดใหญ่ เช่น การขุดดวงจันทร์หรือแถบดาวเคราะห์ น้อยทั้งหมด คือการใช้ยานอวกาศจำลองตัวเอง โดยใช้ประโยชน์จากการเติบโตแบบทวีคูณ [ ^{2 ] ใน}ทางทฤษฎี ยานอวกาศจำลองตัวเองสามารถถูกส่งไปยังระบบดาวเคราะห์ใกล้เคียง ซึ่งมันจะค้นหาวัตถุดิบ (สกัดจากดาวเคราะห์น้อยดวงจันทร์ดาวเคราะห์แก๊สยักษ์ฯลฯ) เพื่อสร้างแบบจำลองของตัวเอง จากนั้นแบบจำลองเหล่านี้จะถูกส่งไปยังระบบดาวเคราะห์อื่น ๆ ยานสำรวจ "แม่" ดั้งเดิมก็สามารถดำเนินภารกิจหลักภายในระบบดาวได้ ภารกิจนี้แตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับรูปแบบของยานอวกาศจำลองตัวเองที่เสนอ

จากรูปแบบนี้ และความคล้ายคลึงกับรูปแบบการสืบพันธุ์ของแบคทีเรีย ทำให้มีการชี้ให้เห็นว่าเครื่องจักรของฟอน นอยมันน์ อาจถือได้ว่าเป็นสิ่งมีชีวิตรูปแบบหนึ่ง ในเรื่องสั้น "ปลาปอด" ของเดวิด บริน เขาได้กล่าวถึงแนวคิดนี้ โดยชี้ให้เห็นว่าเครื่องจักรที่สามารถจำลองตัวเองได้ซึ่งถูกสร้างขึ้นโดยสิ่งมีชีวิตต่างชนิดกัน อาจแข่งขันกันเอง (ใน แบบ ดาร์วิน ) เพื่อแย่งชิงวัตถุดิบ หรือแม้กระทั่งมีภารกิจที่ขัดแย้งกัน หากมี "สายพันธุ์" ที่หลากหลายมากพอ พวกมันอาจก่อตัวเป็นระบบนิเวศ หรือ – หากพวกมันมี ปัญญาประดิษฐ์ด้วย– ก็อาจกลายเป็นสังคมได้ พวกมันอาจกลายพันธุ์ได้เป็นพันๆ "รุ่น"

การวิเคราะห์ทางวิศวกรรมเชิงปริมาณครั้งแรกของยานอวกาศดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2523 โดย^Robert Freitas [ ^{2 ]}ซึ่ง การออกแบบ Project Daedalus ที่ไม่สามารถจำลอง ตัวเองได้ถูกปรับเปลี่ยนให้รวมระบบย่อยทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการจำลองตัวเอง กลยุทธ์ของการออกแบบคือการใช้ยานสำรวจเพื่อส่งโรงงาน "เมล็ดพันธุ์" ที่มีมวลประมาณ 443 ตันไปยังสถานที่ห่างไกล ให้โรงงานเมล็ดพันธุ์ผลิตสำเนาของตัวเองจำนวนมากที่นั่นเพื่อเพิ่มกำลังการผลิตโดยรวมตลอดระยะเวลา 500 ปี จากนั้นใช้โรงงานอุตสาหกรรมอัตโนมัติ ที่ได้มา สร้างยานสำรวจเพิ่มเติมโดยมีโรงงานเมล็ดพันธุ์เพียงแห่งเดียวอยู่บนยานแต่ละลำ

มีการตั้งทฤษฎีไว้^{[ 3 ]}ว่ายานอวกาศที่จำลองตัวเองได้โดยใช้วิธีการเดินทางระหว่างดวงดาวตามทฤษฎีทั่วไป (เช่น ไม่มี การขับเคลื่อน ที่เร็วกว่าแสงที่ แปลกใหม่ และความเร็วจำกัดอยู่ที่ "ความเร็วในการล่องเรือเฉลี่ย" 0.1 c ) สามารถแพร่กระจายไปทั่วกาแล็กซีที่มีขนาดเท่ากับทางช้างเผือกได้ในเวลาเพียงครึ่งล้านปี

ในปี พ.ศ. 2524 แฟรงค์ ทิปเลอร์^{[ 4 ]}ได้เสนอข้อโต้แย้งว่า สติปัญญา จากนอกโลกไม่มีอยู่จริง โดยอ้างอิงจากข้อเท็จจริงที่ว่าไม่มีการสังเกตการณ์ยานสำรวจของฟอน นอยมันน์ หากพิจารณาอัตราการจำลองแบบปานกลางและประวัติศาสตร์ของกาแล็กซี ยานสำรวจดังกล่าวควรจะมีอยู่ทั่วไปในอวกาศแล้ว ดังนั้นเราควรจะเคยพบเจอกับพวกมันมาแล้ว เนื่องจากเราไม่เคยพบเจอ จึงแสดงให้เห็นว่าสติปัญญาจากนอกโลกไม่มีอยู่จริง นี่จึงเป็นการแก้ปัญหาความขัดแย้งของเฟอร์มิ – นั่นคือคำถามที่ว่าทำไมเราจึงยังไม่เคยพบเจอกับสติปัญญาจากนอกโลก หากมันมีอยู่ทั่วไปในจักรวาล

คำตอบ^{[ 5 ]}มาจากCarl Saganและ William Newman ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อคำตอบของ Saganโดยชี้ให้เห็นว่าในความเป็นจริง Tipler ประเมินอัตราการจำลองแบบต่ำเกินไป และยานสำรวจ von Neumann น่าจะเริ่มบริโภคมวลส่วนใหญ่ในกาแล็กซีไปแล้ว เผ่าพันธุ์อัจฉริยะใดๆ จึงจะไม่สร้างยานสำรวจ von Neumann ตั้งแต่แรก และจะพยายามทำลายยานสำรวจ von Neumann ที่พบทันทีที่ตรวจพบ ดังที่ Robert Freitas ^{[ 6 ]}ได้โต้แย้งไว้ ความจุที่คาดการณ์ไว้ของยานสำรวจ von Neumann ที่อธิบายโดยทั้งสองฝ่ายของการถกเถียงนั้นไม่น่าจะเป็นไปได้ในความเป็นจริง และระบบที่จำลองแบบอย่างพอประมาณนั้นไม่น่าจะสามารถสังเกตผลกระทบต่อระบบสุริยะหรือกาแล็กซีโดยรวมได้

ข้อโต้แย้งอีกประการหนึ่งเกี่ยวกับการแพร่หลายของโพรบฟอน นอยมันน์ คือ อารยธรรมที่อาจสร้างอุปกรณ์ดังกล่าวได้นั้น อาจมีโอกาสสูงที่จะทำลายตัวเองก่อนที่จะสามารถผลิตเครื่องจักรดังกล่าวได้ ซึ่งอาจเกิดขึ้นจากเหตุการณ์ต่างๆ เช่นสงครามชีวภาพหรือ นิวเคลียร์ การ ก่อการร้ายด้วยนาโนเทคโนโลยีการ หมดไปของทรัพยากร ภัยพิบัติ ทางนิเวศวิทยา หรือโรคระบาดอุปสรรคในการสร้างโพรบฟอน นอยมันน์นี้ เป็นหนึ่งในตัวเลือกที่เป็นไปได้สำหรับแนวคิดของ " ตัวกรองขนาดใหญ่" (Great Filter )

มีวิธีแก้ไขง่ายๆ เพื่อหลีกเลี่ยงสถานการณ์การขยายพันธุ์มากเกินไป เช่น การใช้เครื่องส่งสัญญาณวิทยุ หรือวิธีการสื่อสารไร้สายอื่นๆ โดยตั้งโปรแกรมให้ยานสำรวจไม่ขยายพันธุ์เกินความหนาแน่นที่กำหนด (เช่น 5 ยานสำรวจต่อลูกบาศก์พาร์เซก)หรือขีดจำกัดที่กำหนด (เช่น 10 ล้านยานสำรวจภายในหนึ่งศตวรรษ) ซึ่งคล้ายกับขีดจำกัดของเฮย์ฟลิกในการสืบพันธุ์ของเซลล์ ปัญหาหนึ่งของการป้องกันการขยายพันธุ์ที่ควบคุมไม่ได้นี้คือ หากยานสำรวจเพียงลำเดียวทำงานผิดพลาดและเริ่มขยายพันธุ์อย่างไม่จำกัด วิธีการทั้งหมดก็จะล้มเหลว – ซึ่งเปรียบเสมือนมะเร็งทางเทคโนโลยี – เว้นแต่ว่ายานสำรวจแต่ละลำจะมีAความสามารถในการตรวจจับความผิดพลาดดังกล่าวในยานข้างเคียงและใช้โปรโตคอลค้นหาและทำลาย (ซึ่งอาจนำไปสู่สงครามระหว่างยานสำรวจในอวกาศได้ หากยานสำรวจที่ผิดพลาดสามารถขยายพันธุ์ได้จำนวนมากก่อนที่จะถูกตรวจพบโดยยานสำรวจที่ทำงานได้ดี ซึ่งอาจมีการตั้งโปรแกรมให้ขยายพันธุ์ในจำนวนที่เท่ากันเพื่อควบคุมการระบาด) อีกวิธีหนึ่งคือการใช้ความจำเป็นในการให้ความร้อนแก่ยานอวกาศระหว่างการเดินทางระหว่างดวงดาวในระยะทางไกล การใช้พลูโทเนียมเป็นแหล่งความร้อนจะจำกัดความสามารถในการจำลองตัวเอง ยานอวกาศจะไม่มีโปรแกรมที่จะสร้างพลูโทเนียมเพิ่มขึ้นแม้ว่าจะพบวัตถุดิบที่จำเป็นก็ตาม อีกวิธีหนึ่งคือการตั้งโปรแกรมยานอวกาศให้เข้าใจอย่างชัดเจนถึงอันตรายของการจำลองตัวเองที่ควบคุมไม่ได้

รายละเอียดของภารกิจในการสร้างยานอวกาศที่สามารถสร้างตัวเองได้นั้นอาจแตกต่างกันไปอย่างมากในแต่ละข้อเสนอ และคุณลักษณะร่วมกันเพียงอย่างเดียวคือความสามารถในการสร้างตัวเองได้

โพรบฟอนนอยมันน์เป็นยานอวกาศที่สามารถจำลองตัวเองได้^{[ 2 ]}มันเป็นการรวมกันของสองแนวคิด: เครื่องสร้างสากลของฟอนนอยมันน์ (เครื่องจักรที่จำลองตัวเองได้) และโพรบ (เครื่องมือสำหรับสำรวจหรือตรวจสอบบางสิ่ง) แนวคิดนี้ตั้งชื่อตามจอห์น ฟอนนอยมันน์นักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวฮังการี- อเมริกัน ผู้ซึ่งศึกษาแนวคิดของเครื่องจักรที่จำลองตัวเองได้อย่างเข้มงวด ซึ่งเขาเรียกว่า "เครื่องประกอบสากล" และมักถูกเรียกว่า " เครื่องจักรฟอนนอยมันน์ " ^{[ 2 ]}โครงสร้างดังกล่าวสามารถตั้งทฤษฎีได้ว่าประกอบด้วยส่วนประกอบพื้นฐานห้าส่วน (รูปแบบต่างๆ ของแม่แบบนี้สามารถสร้างเครื่องจักรอื่นๆ ได้ เช่นโพรบแบรซเวลล์ ):

• ส่วนตรวจสอบ : ซึ่งจะประกอบด้วยเครื่องมือตรวจสอบจริงและปัญญาประดิษฐ์ (AI) ที่มุ่งเน้นเป้าหมายเพื่อชี้นำโครงสร้าง
• ระบบช่วยชีวิต : กลไกในการซ่อมแซมและบำรุงรักษาโครงสร้าง
• โรงงาน : กลไกในการเก็บเกี่ยวทรัพยากรและจำลองตัวเอง
• หน่วยความจำหลัก : ใช้เก็บโปรแกรมสำหรับส่วนประกอบทั้งหมดและข้อมูลที่ได้รับจากโพรบ
• เครื่องยนต์ : มอเตอร์สำหรับเคลื่อนที่หัววัด

Andreas M. Hein และStephen Baxter นักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ ได้เสนอโพรบ von Neumann ประเภทต่างๆ ที่เรียกว่า "นักปรัชญา" และ "ผู้ก่อตั้ง" โดยที่ประเภทแรกมีวัตถุประสงค์เพื่อการสำรวจ และประเภทหลังมีวัตถุประสงค์เพื่อเตรียมการตั้งถิ่นฐานในอนาคต^{[ 7 ]}

Olivia Borgue และ Andreas M. Hein จาก Initiative for Interstellar Studiesได้เสนอแนวคิดระยะสั้นสำหรับโพรบที่สามารถสร้างตัวเองได้โดยอาศัยเทคโนโลยีในปัจจุบันและระยะใกล้ แนวคิดนี้จะช่วยให้สามารถสร้างมวลของโพรบได้เองถึง 70% ในขณะที่ส่วนประกอบขั้นสูง เช่น ไมโครชิป เซลล์แสงอาทิตย์ และวงจรทั่วไป จะถูกบรรทุกไปบนโพรบรุ่นแรก^{[ 8 ]}

หากยานสำรวจที่สามารถจำลองตัวเองได้ค้นพบหลักฐานของสิ่งมีชีวิตดั้งเดิม (หรือวัฒนธรรมดั้งเดิมระดับต่ำ) มันอาจถูกตั้งโปรแกรมให้อยู่ในสภาวะสงบ สังเกตการณ์อย่างเงียบๆ พยายามติดต่อ (ยานสำรวจชนิดนี้เรียกว่า ยานสำรวจแบบแบรซเวลล์ ) หรือแม้กระทั่งเข้าไปแทรกแซงหรือชี้นำวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตในบางทาง

นักฟิสิกส์Paul Daviesจากมหาวิทยาลัย Adelaideได้ "ยกความเป็นไปได้ของยานสำรวจที่จอดอยู่บนดวงจันทร์ ของเราเอง " โดยเดินทางมาถึงในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งในยุคก่อนประวัติศาสตร์ของโลกและคงอยู่เพื่อตรวจสอบโลก ซึ่งเป็นแนวคิดที่Michio Kaku กล่าวไว้ ว่าStanley Kubrickใช้เป็นพื้นฐานสำหรับภาพยนตร์ เรื่อง 2001: A Space Odyssey (แม้ว่าผู้กำกับจะตัดฉากเสาหินที่เกี่ยวข้องออกจากภาพยนตร์ก็ตาม) ^{[ 9 ]}ผลงานของ Kubrick อิงจาก เรื่องสั้น " The Sentinel " ของArthur C. Clarkeซึ่งทั้งคู่ได้ขยายความในรูปแบบของนวนิยายที่กลายเป็นพื้นฐานของภาพยนตร์^{[ 10 ]}ดังนั้นแนวคิดยานสำรวจ/หอดูดาวบนดวงจันทร์ของ Davies จึงถือได้ว่าชวนให้นึกถึง Clarke เช่นกัน

แนวคิดอีกรูปแบบหนึ่งของยานสำรวจอวกาศระหว่างดวงดาวแบบ von Neumann คือ " Astrochicken " ที่เสนอโดยFreeman Dyson [ ^{11 ] แม้ว่า} จะมีคุณสมบัติทั่วไปคือการจำลองตัวเอง การสำรวจ และการสื่อสารกับ "ฐานทัพ" แต่ Dyson คิดค้น Astrochicken ขึ้นมาเพื่อสำรวจและปฏิบัติการภายใน ระบบสุริยะของเราเองไปจนถึงดาวพลูโต ไม่ใช่เพื่อสำรวจอวกาศระหว่างดวงดาว^{[ 11 ]}

Anders SandbergและStuart Armstrongโต้แย้งว่าการเริ่มต้นการตั้งอาณานิคมในจักรวาลที่เข้าถึงได้ทั้งหมดโดยใช้โพรบที่จำลองตัวเองได้นั้นอยู่ในขีดความสามารถของอารยธรรมที่แผ่ขยายไปทั่วดวงดาว และเสนอแนวทางเชิงทฤษฎีในการบรรลุเป้าหมายนี้ภายใน 32 ปี โดยการขุดทรัพยากรจากดาวเคราะห์เมอร์คิวรีและสร้างDyson Swarmรอบดวงอาทิตย์^{[ 12 ]}

ยานอวกาศที่สามารถสร้างตัวเองได้นั้นมีรูปแบบหนึ่งคือเบอร์เซอร์เกอร์ซึ่งแตกต่างจากแนวคิดยานสำรวจที่เป็นมิตร เบอร์เซอร์เกอร์ถูกตั้งโปรแกรมให้ค้นหาและกำจัดสิ่งมีชีวิตและดาวเคราะห์นอกระบบ ที่มีสิ่งมีชีวิต ทุกครั้งที่พบเจอ

ชื่อนี้มีที่มาจากนวนิยายชุดBerserker ของ Fred Saberhagenซึ่งบรรยายถึงสงครามระหว่างมนุษยชาติกับเครื่องจักรดังกล่าว Saberhagen ชี้ให้เห็น (ผ่านตัวละครตัวหนึ่งของเขา) ว่าเรือรบ Berserker ในนวนิยายของเขาไม่ใช่เครื่องจักร von Neumann โดยตรง แต่กลุ่มเครื่องจักร Berserker ที่ใหญ่กว่านั้น ซึ่งรวมถึงอู่ต่อเรืออัตโนมัติ ล้วนเป็นเครื่องจักร von Neumann สิ่งนี้จึงนำไปสู่แนวคิดเรื่องระบบนิเวศของเครื่องจักร von Neumann หรือแม้กระทั่งกลุ่มเครื่องจักร von Neumann ขนาดใหญ่

ในนิยายมีการคาดเดาว่าเบอร์เซอร์เกอร์อาจถูกสร้างขึ้นและปล่อยออกมาโดย อารยธรรม ที่เกลียดชังต่างดาว (ดูAnvil of StarsโดยGreg Bearในส่วน " ในนิยาย " ด้านล่าง) หรืออาจ "กลายพันธุ์" จากยานสำรวจที่ไม่เป็นอันตรายมากนัก ตัวอย่างเช่น เรือของฟอน นอยมันน์ที่ออกแบบมาเพื่อ กระบวนการ ปรับสภาพดาวเคราะห์ให้เหมาะสมกับการอยู่อาศัยของมนุษย์ – การขุดพื้นผิวดาวเคราะห์และปรับบรรยากาศให้เข้ากับสภาพแวดล้อม – อาจถูกตีความว่าเป็นการโจมตีดาวเคราะห์ที่เคยมีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ ฆ่าผู้อยู่อาศัยในกระบวนการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมของดาวเคราะห์ จากนั้นก็เพิ่มจำนวนตัวเองเพื่อส่งเรือไป "โจมตี" ดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ

แนวคิดอีกรูปแบบหนึ่งของยานอวกาศที่จำลองตัวเองได้คือยานเพาะพันธุ์ ยานอวกาศดังกล่าวอาจเก็บรูปแบบทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตจากโลกบ้านเกิดของพวกมัน หรือแม้กระทั่งสายพันธุ์ที่สร้างมันขึ้นมา เมื่อพบดาวเคราะห์ นอก ระบบสุริยะที่ มีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ได้ หรือแม้แต่ดาวเคราะห์ที่สามารถปรับสภาพให้ เหมาะสมกับการอยู่อาศัยได้ ยานอวกาศ จะพยายามจำลองสิ่งมีชีวิตเหล่านั้นขึ้นมาใหม่ ไม่ว่าจะจากตัวอ่อนที่เก็บไว้หรือจากข้อมูลที่เก็บไว้โดยใช้เทคโนโลยีนาโนระดับโมเลกุลเพื่อสร้างไซโกตที่มีข้อมูลทางพันธุกรรมที่แตกต่างกันจากวัตถุดิบในท้องถิ่น^{[ 13 ]}

เรือเหล่านี้อาจเป็นเรือปรับสภาพดาวเคราะห์ เตรียมดาวเคราะห์สำหรับตั้งอาณานิคมในอนาคตโดยเรือลำอื่น หรือ – หากได้รับการตั้งโปรแกรมให้สร้าง เพาะเลี้ยง และให้การศึกษาแก่สิ่งมีชีวิตสายพันธุ์ที่สร้างมันขึ้นมา – ก็อาจกลายเป็นผู้ตั้งอาณานิคมที่สามารถขยายพันธุ์ได้เอง เรือเพาะพันธุ์จะเป็นทางเลือกที่เหมาะสมแทนเรือสร้างรุ่นในการตั้งอาณานิคมบนดาวเคราะห์ที่อยู่ไกลเกินกว่าจะเดินทางไปถึงได้ภายในช่วงชีวิตเดียว

ใน "ตอนที่ 4 ไพ่ป่า" ของหนังสือ " 2081: มุมมองแห่งความหวังของมนุษยชาติ " ที่ ตีพิมพ์ในปี 1981 เจอ ราร์ด เค. โอ'นีล ได้กล่าวถึงเผ่าพันธุ์ต่างดาวสมมุติที่เรียกว่า พริแมนส์ ซึ่งจะใช้ยานสำรวจฟอน นอยมันน์ ที่เรียกว่า รีพลิเคเตอร์ เพื่อสำรวจกาแล็กซีทางช้างเผือกอย่างทั่วถึง โครงการสำรวจด้วยรีพลิเคเตอร์มีองค์ประกอบสำคัญหลายประการ:

1. เมื่อรีพลิเคเตอร์เดินทางมาถึงระบบดาวเป้าหมาย มันจะเปิดสัญญาณเพื่อแจ้งเตือนรีพลิเคเตอร์ตัวอื่นๆ ถึงการมีอยู่ของมันในระบบดาวนั้น
2. ยานรีพลิเคเตอร์ ขณะโคจรใกล้ดาวฤกษ์ในระบบดาวเป้าหมาย จะแปลงแสงอาทิตย์ให้เป็นสสารและปฏิสสารเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิง
3. เครื่องจำลองจะตรวจสอบระบบดาวใกล้เคียงเพื่อหาว่ามีเครื่องจำลองอยู่ที่ระบบดาวใดระบบหนึ่งอยู่แล้วหรือไม่ หากไม่พบเครื่องจำลองในระบบดาวใดระบบหนึ่ง เครื่องจำลองก็จะสร้างตัวเองขึ้นมาใหม่และส่งไปยังระบบดาวนั้น
4. ตัวจำลอง (Replicator) ทำหน้าที่เป็นตัวส่งต่อข้อความที่ส่งมาจากตัวจำลองอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จะส่งต่อข้อความจากตัวจำลองอื่นๆ ไปยังตัวจำลองอื่นๆ ที่อยู่ห่างจากตัวจำลองต้นทางมากกว่าตัวจำลองที่ส่งต่อข้อความนั้น
5. ส่งข้อความไปยังเครื่องจำลองระบบดาวที่อยู่ใกล้ที่สุดทั้งหมดเพื่อรายงานข้อมูลที่พบเกี่ยวกับระบบดาว อัปเดตข้อมูลเป็นระยะ (เช่น ทุกล้านปี) หรือเมื่อเกิดเหตุการณ์สำคัญ

^{[ 14 ]}