根据克劳斯·拉克纳和克里斯托弗·温特斯的设想，几十年后，新墨西哥州南部曾经的白沙导弹试验场的沙漠灌木丛将变成一个陌生的新世界。方圆数百英里的碱性平地将覆盖着闪烁的太阳能电池板阵列。这些可能看起来很熟悉，但那些在白色陶瓷轨道网格上穿梭的、手提箱大小的小机器人则不然。
这些被称为“奥克森”（auxons，源自希腊语“auxein”，意为生长）的机器人专为特定任务设计。“挖掘奥克森”会刮掉沙漠地表一英寸厚的泥土。“运输奥克森”将泥土运到一个蜂巢状的电炉群。这些在超高温下工作的炉子会产生有用的金属，如铁和铝，或制造计算机芯片所需的硅。“生产奥克森”将这些材料塑造成机器零件和太阳能电池板。“组装奥克森”将它们安装到位。然后，随着一批新的自我复制机器人滚入沙漠，再次挖掘泥土，这个过程又重新开始。
这个由轨道和繁忙机器人组成的电气化网格在新墨西哥州的高原上呈指数级增长，每六个月大小就翻一番。尽管它最初只有一个足球场那么大，但十年后它就可以覆盖整个大陆。然而，在此之前，一些内置的约束将告诉系统停止增长。这个巨大的太阳能电池板阵列将不再继续自我复制，而是将其电力输入国家电网。仅这个被限制在世界上第一颗原子弹爆炸的试验场地的一个奥克森群落，就能产生足够的电力来满足美国当前的电力需求。
在大陆的其他地方，其他奥克森殖民地从海岸向内陆延伸。当从繁殖模式切换到生产模式时，这些殖民地将淡化海水，将淡水输送到国家的农田，并从大气中吸收温室气体，将二氧化碳转化为一座座石灰岩山脉。另一个呈指数增长的奥克森殖民地，一旦覆盖撒哈拉沙漠略超过10%的面积，将能够满足全球总能源需求的三倍。人们将不再为电力匮乏或受限于过去用于获取电力的污染技术而烦恼，他们将期待着二十二世纪的到来，届时事情将真正变得有趣。
这个愿景在1992年夏天开始形成。洛斯阿拉莫斯国家实验室理论部门43岁的物理学家克劳斯·拉克纳（研究诸如爆炸等机密现象，以及气候等非机密现象）和他的朋友，威斯康星大学36岁的粒子物理学家克里斯托弗·温特斯在拉克纳位于洛斯阿拉莫斯高原的家中喝啤酒时，开始思考为什么科学家不再考虑大型项目。早在20世纪50年代，人们不怕提出关于星际旅行或将火星地球化为太空殖民地的想法。但如今，随着对技术的恐惧弥漫在空气中，没有人谈论建造像金字塔或欧洲大教堂那样规模的巨型项目。
又喝了几杯啤酒后，拉克纳和温特斯也开始大开脑洞。他们讨论了全球变暖的问题，以及如何通过将二氧化碳转化为碳酸盐岩来解决——碳酸盐岩是一种稳定的物质形式，不会比多佛的悬崖带来更多麻烦。但是，要制造出这些由稳定二氧化碳组成的白垩质悬崖，将需要大量的机械设备，购买或制造这些设备的成本会让你破产。唯一能做到的方法是自动生产这些机械设备。所以我们得出结论，拉克纳说，这些生产工具作为其工作的一部分，必须自行复制。这样，正在工作的自我复制机器的数量就会呈指数级增长。
拉克纳和温特斯做了一些粗略的计算。白天，每平方米土地上会落下大约300到1000瓦的太阳能。将这种能量 Harness 到一个自我复制的系统中，会发生两件事。系统会快速变大，并产生惊人的能量。一个一百万平方公里的辅助系统，相当于北美洲的4%，或美国一半的农田，可以产生世界当前电力输出的25倍。一个一千万平方公里的辅助系统将为可持续的世界经济提供所有要素。开发这个系统的成本是多少？从10亿美元到1000亿美元不等——与当前2647亿美元的军事预算相比，这很便宜。
温特斯说，一旦你开始谈论如此庞大的项目，你所能获得的能量就变得惊人了。
拉克纳说，我们生活在一个能源匮乏的社会，而这是一个获取几乎无限能源的想法，这将是一件很棒的事情。
在他们讨论的这个阶段，他们对于一个像藻类一样在地球表面蔓延的自动化工业过程能做什么，只有一个模糊的概念，但他们知道它规模庞大、力量强大，并且可以被编程用于各种人类用途。他们将把19世纪黑暗的“撒旦磨坊”带到今天的阳光下。他们将收集降落在地球上的自由能源，并用它将生命的火花注入泥土、水和空气中，而这些都是建造人工生命所需的一切。
温特斯说：“我们爱上了创造一些真正宏大的想法。然后我们试图通过思考它能做些什么有用的事情来证明我们的爱。”
第二天早上，当他们共进早餐时，拉克纳和温特斯相视一笑，说：“我们昨晚的想法并不那么疯狂。”他们同意继续推进这个项目。他们将利用业余时间兼职，研究建造自我复制机器所需的工业过程和化学反应。他们想不出任何一个瓶颈，但他们想象着，某个地方一定存在一个瓶颈，一个使这个想法不可能实现的第一原理或基本定律。他们从未找到过。
劳斯·拉克纳，一位身材高大、体格健壮的男子，额头圆润，灰白的头发卷曲着盖住耳朵，是德国出生的归化美国公民。他穿着凉鞋配袜子，英语带德国口音，待人彬彬有礼。他也喜欢漫无边际地思考。他带着极大的热情去发现新想法并计算其可行性，以至于在他的陪伴下，人们常常感觉自己像爱丽丝掉进了兔子洞。
在这样的时刻，温特斯会打断说：“哦，克劳斯，别谈那个了。”两人自20世纪80年代初在加州理工学院一个研究实验室共享一台电脑时就认识了，那时拉克纳是高能物理学的博士后，温特斯是本科生。后来拉克纳搬到帕洛阿尔托的斯坦福直线加速器中心，温特斯则在斯坦福大学隔壁读研究生，他们又重逢了。他们的友谊现在也包括了他们的妻子和拉克纳的三个年幼的女儿。
温特斯头发两侧剪短，耳朵尖尖的，带着一股瓦肯人的气质。他戴着高科技金属框眼镜，穿着无领衬衫、斜纹棉布裤和登山靴，这让他看起来像个时尚的年轻人，仍然年轻到在大学酒吧喝酒时需要出示证件。尽管他也是在德国出生的，当时他的父亲是一名访问学者，但温特斯基本上是一个美国神童，毕业于美国最好的学校和实验室。他现在研究Z玻色子、μ子以及高能粒子物理学中其他深奥的力。“我仍然有一个困扰我的想法，那就是物理学应该有用武之地，”他说。“既然我不知道高能物理学有什么用，我总是四处寻找有用的东西。”难怪他爱上了奥克森。
经过几周的电子邮件交流，拉克纳和温特斯完善了他们最初的宏伟想法，并勾勒出了一个“闭环”的自我复制系统。这意味着它能够无需外部材料的添加而自行复制。该系统被设计具有生产、复制、生长和自我修复的能力。
构建奥克森系统所需的工具借鉴了实验物理学、化学、机器人设计和童子军的创造力。从普通的泥土开始，将其分解成其组成部分。任何地方的泥土，包括你的后院，都富含铁矿石、铝、硅、铜、碳，以及工业生产所需的几乎所有其他元素。
那么为什么你的后院没有被露天开采呢？因为普通泥土中金属的浓度很低——例如，铁的含量在5%左右，而一个好的铁矿中的金属浓度可能高达30%。但是，对于一个拥有无限能量的系统来说，低浓度不是问题；它只需处理更多的泥土。
对后院矿工来说，稍微麻烦一点的是，泥土中的金属通常以氧化物的形式存在。在你获得可用的铁或铝之前，你必须去除氧气。从分子中剥离氧气是一个能量密集的过程，需要高温、电力或两者兼而有之。科学家们已经开发出使该过程更有效的方法——通过降低矿石的熔点和改进电解过程，将有用的物质与无用的物质分离。例如，氧化铝与冰晶石（一种氟化物）混合，可将其熔点降低一半。
但氟化物稀有，为了避免瓶颈，拉克纳和温特斯希望避开任何短缺的物质。因此，他们开发了一种新型工业流程的化学方法。他们将通过将金属氧化物中的氧分子与硅（泥土中含量丰富）或碳（空气中含量丰富）结合来剥离它们。使这个过程奏效的一个症结是它所需的温度。矿石只有在高达4000华氏度的温度下才能在碳的存在下分解并释放出它们的构成金属；硅反应在较低温度下也能进行，但更高的温度会使其更快。这些温度虽然在今天的工业流程中是可行的，但维持成本太高——除非系统由拥有大量太阳能的奥克森运行。
拉克纳和温特斯的元素分离循环还有一个独特的特点：除了在其十个步骤中产生的材料外，它不需要任何外部材料。在最初用硅和碳进行引燃后，系统会回收所有使其自身运行所需的元素。你挖起泥土并加热。硅进入炉子。硅附着在氧原子上，将它们从铁、钠、钾和镁中剥离出来。瞧——这就是你想要的金属，以液体或气体的形式存在。
从金属中偷走的氧气将硅变成二氧化硅，也就是石英。碳再次剥离氧原子，将石英变回硅和一氧化碳。一氧化碳在氢气的作用下变成碳和水。碳还原铝。电将水分解成氢气和氧气，然后这个过程重新开始，硅、碳和氢被倾倒入充满泥土的高温炉中。
在概述了他们的流程之后，拉克纳和温特斯通过查阅有关金属制造工业技术的文献来核对他们的工作。铁、镁、钙——所有这些都曾通过拉克纳和温特斯建议的对矿石施加高温的方法提取。甚至需要最高温度的铝也曾以这种方式提取。雷诺金属公司甚至建造了一座试验工厂，使用碳而不是冰晶石来制造铝。这项技术运作良好，尽管以今天的价格来看成本过高。当然，对于一个辅助机来说，这并不会太贵。
拉克纳说：“我们重新发明了轮子，这让我感到非常欣慰。工业界已经尝试过所有这些想法。他们只是从未将它们整合成一个连贯的系统。”
一旦泥土被分解成金属堆，将这些金属堆塑造成棒材、板材、齿轮、导体、绝缘体、计算机芯片以及其他现代机床所需的物品，在技术上就没有概念性困难了。机器人现在非常擅长轧制铸锭，将其锤打成金属板，切割和成型机器零件，然后将其组装成可用的工具。拉克纳说，与建造奥克森所需的所有自动化步骤非常相似的技术已经在工业界存在。一辆汽车几乎可以完全由机器人用16小时制造出来。由苹果电脑控制的机器人组装苹果电脑的部件。拉克纳和温特斯认为他们的奥克森系统是现有自动化方法的逻辑延伸。不同之处不在于机器人如何工作，而在于它们生产什么：更多的它们自己。
拉克纳和温特斯并非试图绘制实际机器人的蓝图；他们只是想证明他们的想法并非不可能。尽管如此，他们对在建立奥克森社区时可能遇到的问题以及他们将提出的解决方案有一定了解。
他们知道，一旦手提箱大小的螺栓切割机和螺母紧固件投入运行，保持系统运转的关键将是“简单性”。拉克纳预见了一个去中心化的“笨拙机器”系统，每个机器都执行其专门的任务，而不是“智能机器人”——后者曾有走三步就摔倒的记录。他说：“你希望它们便宜且可随意处置。一个奥克森可以跳下悬崖，你也不会想念它。”
奥克森系统不会有任何大脑或自动管理中心，不像美国宇航局研究团队在1980年提出在月球表面建造自我生长采矿模块时所设想的那样。那些梦想家们描绘了一个完整的月球工业园区，里面有30亿个机器人，其中一些将致力于让美国国旗飘扬在中央控制系统上方。但拉克纳和温特斯认为这种集中控制系统笨重且不必要。他们建议改为使用远程、局部传感器，通过反射来管理他们的奥克森。每个奥克森都能够感知其周边发生的一切，并以简单、适当的方式做出反应——也许是加速或减慢生产。
通常，系统将自行其是，像自动化的葛藤一样蔓延在沙漠中。但当奥克森忙于自我复制时，外部观察者可能希望通过卫星监测或反馈回路来关注系统。人类可能会偶尔介入，重新编程一些机器，要么改进其设计，要么排除故障；他们也可能希望密切关注那些可能越界违规的奥克森。
当然，最终的控制在于切断能源。系统可以设计为响应广播无线电信号，从而关闭太阳能电池板。拉克纳说，即使其中一些不理会你，系统的大部分也会崩溃。
拉克纳开玩笑地称之为“行政辅助机”（administrative auxons）——即四处奔走执行生产规范并防止变异自我复制的监管者——可以提供其他控制。系统的策略可以改变——例如，从增长到维护——通过向组装机器人注入新的蓝图，这些机器人将被改装新的计算机芯片或重新编程。拉克纳说，除非你批准，否则系统不会进化。
当他们确信已解决了所有重要问题后，温特和拉克纳批判性地审视了系统。他们怀疑这可能太好了而不真实，于是设计了各种生产力衡量标准来证明它会奏效。然后他们用一系列假想的灾难来测试设计。
一场暴风雨冲垮了部分电网？挂上“轨道关闭”的牌子，让你的奥克森改道走一段高架轨道。一个奥克森死在边界线上？把它拖进熔炉，回收其零件。整个方案中没有瓶颈或不可逾越的障碍。系统开始运行。拉克纳和温特斯将他们的想法写成了一篇名为《大型自我复制机器系统指数级增长》的论文，该论文于五月发表在《数学与计算机建模》上。
当然，即使奥克森系统能够建造，也有人质疑它是否应该建造。如果它变成一场生态噩梦怎么办？毕竟，大型项目不受欢迎的一个原因可能就是它们伴随着巨大的风险。
自我复制机器可能造成生态浩劫的潜力在20世纪70年代就已被讨论过，当时物理学家弗里曼·戴森进行了一些著名的关于未来机械的思维实验。在其他想法中，戴森提出建造一种“食岩自动机”，用自我复制机器填满索诺拉沙漠。这些机器致力于收集阳光和产生电力，它们将产生如此巨大的能量，以至于“食岩者”可以轻易支持另一个殖民地，这个殖民地由“岩石修复者”组成——专门将沙漠恢复到原始形态的自动机。奥克森显然受益于戴森的“食岩者”，戴森也对拉克纳和温特斯的想法说了一些好话。
“食岩者”的奥克森子代开发者不仅面临着失控机器的弗兰肯斯坦问题，还面临着房地产问题。拉克纳说：“当然，你需要一定量的土地。就像你家里必须留出一定面积给浴室一样。我们把爱荷华州犁平，把它变成了玉米地，这也不是完全自然的。”显然，他和温特斯认为自我复制机器的好处大于将其部署在世界各地或宇宙其他地方的成本。
温特斯沉思道：“思考这些想法可能不健康。这需要傲慢。”
拉克纳说：“但这就是它的乐趣所在。”
两位科学家承认，他们的想法与当下流行的观念格格不入，即解决问题的方法不是更多技术，而是更少技术。拉克纳和温特斯认为，不可能回到前工业时代。他们相信，在一个日益渴望能源的世界里，我们将需要新的技术来生活。他们认真对待他们的系统建设，并希望在未来几个月内设计出原型辅助机，并开始研究泥土的炼金术。随着他们工作的进展，自我复制机器离现实又近了一步。
