Agnosiophobia in a virtual agent: behavioral and dynamical architecture in Lenia

기술 요약: 가상 에이전트의 아그노시아포비아(Agnosiophobia, 무지에 대한 공포)

문제 제기
본 논문은 명시적인 인지 구조나 진화된 생존 기제를 결합하지 않은, 새롭고 창발적인 에이전트들의 행동적 성향을 이해하는 과제를 다룬다. 구체적으로, 본 연구는 레니아(Lenia)(연속적 셀룰러 오토마톤) 내의 자가 유지 운동 패턴이 환경의 정보적 지형(informational topography)과 어떻게 상호작용하는지 조사한다. 저자들은 이 에이전트들의 '감각장'(convolution kernel)이 부분적으로 차단되었을 때, 즉 정보적 폐쇄(informational occlusions)—데이터를 얻을 수 없는 격자 영역—에 노출되었을 때, 이들이 적응적 행동(예: 회피)을 보이는지 탐구함으로써 "원형 인지(protocognition)"를 조사한다. 핵심 질문은, 이러한 동적 패턴들이 그러한 작업을 위해 설계된 명시적 메커니즘이 없음에도 불구하고, 감각 데이터가 일부 차단된 환경을 항해할 때 회피와 같은 적응적 행동을 나타내는가 하는 점이다.

방법론
본 연구는 토로이드 격자 위의 셀들이 반지름 대칭 커널($K$)과 성장 함수($G$)와의 컨볼루션(convolution)을 바탕으로 상태를 업데이트하는 연속적 셀룰러 오토마톤인 **레니아(Lenia)**를 활용한다.

1. 실험 설정:

   • Chan의 카탈로그에서 선택된 네 가지 안정적이고 비진동적인 운동성 생명체(O2u, K4s, K6s, S1s)를 선정하였다.
   • 폐쇄 메커니즘: 저자들은 환경에 이진 마스크($B$)를 도입하였다. 업데이트 규칙에서 폐쇄된 영역은 컨볼루션 연산에서 제외된다. 포텐셜 $U_t$는 가시적인 상태($A_t \cdot (1-B)$)를 컨볼루션하고, 커널 질량이 가시적 영역에 떨어지는 비율로 정규화하여 계산된다. 이는 생명체의 내부 규칙을 변경하지 않으면서 특정 부분에 대한 "맹목(blindness)"을 시뮬레이션한다.
   • 테스트 환경: 생명체들을 다양한 폐쇄 패턴(크기, 희소성, 볼록성)을 가진 10개의 서로 다른 환경에 배치하였다. 각 생명체는 360도의 방향을 향해 중심에서 시작하여 2,000 스텝 동안 실행되었다.

2. 측정 지표 및 분석:

   • 형태적 회복(Morphological Recovery): 활성 픽셀의 분포(프로파일)를 기준으로 격자 상태를 비교하기 위해 바서슈타인-1 거리(Wasserstein-1 distance) 지표를 구축하였다. 생명체가 정의된 근방(최대 거리 $d_{max}$ 이내)으로 상태가 돌아오면 "회복(recovered)"된 것으로 간주한다.
   • 결과 분류: 궤적은 회복(근방으로의 귀환), 사멸(질량 감소 < 0.01), 변태(metamorphosis), 또는 폭발(무한 성장)로 분류되었다.
   • 민감도 매핑: 메커니즘을 이해하기 위해, 저자들은 생명체 신체의 모든 비제로(non-zero) 픽셀에 지속적인 $3 \times 3$ 폐쇄를 배치하는 표적 개입을 수행하여, 그 결과 발생하는 역학(회복까지의 프레임, 최대 왜곡, 헤딩 변화)을 매핑하였다.

주요 결과

1. 아그노시아포비아(Agnosiophobia, 무지에 대한 공포)의 발현: 네 가지 생명체 중 세 가지(O2u, K4s, K6s)가 아그노시아포비아라고 명명된 행동을 보였다. 이들은 명시적인 "위험" 표현이 없음에도 불구하고, 폐쇄된 영역을 피하거나 그로부터 방향을 돌리는 경향을 보였다.

   • O2u (Orbium): 측면에 감지된 폐쇄로부터 멀어지도록 회전하며 가장 강력한 회피 능력을 보여주었다.
   • K4s: 폐쇄의 가장자리를 따라 이동하거나, 전면이 폐쇄될 경우 진동하는 구조로 변형된 후 반대 방향으로 재방출되었다.
   • K6s: 즉각적으로 회전하기보다는 폐쇄의 가장자리를 따라 이동하는 "스커팅(skirting)" 행동을 보였다.
   • S1s: 회피 행동을 보이지 못했다. 치명적 구역이 선두부에 위치하여 폐쇄를 만나는 즉시 사멸하였다.

2. 민감도의 공간적 구조:

   • 민감도 맵은 그래디언트를 드러냈다: 재지향(헤딩 변화 유발)에 민감한 영역은 치명적 영역과 공간적으로 인접해 있었다.
   • 취약성과 항해의 결합: 큰 헤딩 변화는 생명체가 길고 형태적으로 왜곡된 회복 경로를 거칠 때만 관찰되었다. 이러한 경로는 **끌개(attractor)의 근방 경계(basin boundary)**에 접근하는 궤적에 해당한다. 빠르고 왜곡 없는 회복은 유의미한 헤딩 변화를 일으키지 않았다.
   • S1s는 "완충" 구역이 부족했다. 치명적 영역이 재지향 구역보다 앞서 나타나 즉각적인 실패로 이어졌다.

3. 동역학계적 해석:

   • 저자들은 레니아 생명체를 고차원 상태 공간 내의 **끌개(attractors)**로 해석한다.
   • 자유 변수(Free Variables): 기저 규칙의 병진 및 회전 대칭성 덕분에, 생명체들은 형태적 정체성을 바꾸지 않고도 변화할 수 있는 "자유 변수"(위치 및 헤딩)를 갖는다.
   • 근방의 기하학(Basin Geometry): 항해 능력은 끌개의 근방 기하학으로부터 창발한다. 시스템을 근방 경계 근처로 밀어넣는 섭동(perturbation)은 시스템이 자유 변수(헤딩)를 따라 이동함으로써 스트레스를 "오프로드(offload)"할 수 있게 한다. 이 이동이 곧 재지향을 구성한다.
   • 부분적 등종결성(Partial Equifinality): 생명체들은 형태에 대해서는 등종결성(형태로 돌아옴)을 보이지만, 헤딩에 대해서는 비등종결성(최종 헤딩은 섭동에 따라 달라짐)을 보인다. 이러한 선택적 등종결성이 항해를 가능하게 한다.

의의 및 주장
본 논문은 에이전트의 행동적 성향이 물리적 세계뿐만 아니라 정보적 지형과 어떻게 상호작용하는지를 이해하기 위한 로드맵의 시작을 보여준다고 주장한다.

• 원형 인지(Protocognition): 관찰된 아그노시아포비아는 설계되거나 진화된 것이 아니라, 시스템의 끌개 근방 기하학으로부터 창발한다. 이는 목표 지향적 행동(형태의 지속)이 섭동을 자유 변수에 결합함으로써 자연스럽게 적응적 항해(정보 공백 회피)를 낳을 수 있음을 시사한다.
• 목표 지향성의 재정의: 저자들은 목표 지향성을 명시적인 에너지 변수를 가진 멀리 떨어진 평형 상태의 시스템으로 제한하는 것에 도전한다. 그들은 끌개의 차원, 자유 변수와의 결합, 근방 경계의 기하학과 같은 동역학적 특성이 목표 지향성을 도출하기 위한 충분한 척도가 될 수 있다고 제안한다. 이를 통해 레니아 생명체와 같은 이례적인 지능을 생물학적 에이전트와 동일한 연속선상에서 특징지을 수 있다.
• 역량의 메커니즘: 본 연구는 항해 능력이 형태적 취약성과 본질적으로 연결되어 있음을 입증한다. 헤딩을 변경(항해)하는 능력은 시스템이 생존의 경계 근처에서 높은 왜곡 상태를 통과해야 함을 요구한다.

결론
본 연구는 단순한 동역학계가 대칭, 끌개 기하학, 그리고 섭동의 상호작용을 통해 미지의 정보(무지)를 피하는 것과 같은 복잡하고 적응적인 행동을 보일 수 있음을 확립한다. "무지에 대한 공포"는 정보 결핍에 직면했을 때 자신의 형태적 끌개를 보존하려는 시스템의 시도로 인해 발생하는 결과이며, 생존을 위한 메커니즘으로서 헤딩을 변화시키는 자유를 활용하는 것이다.