Environmental resilience via morphological diversity within machines

불완전한 팀이 가진 비밀스러운 초능력

로봇에게 걷는 법을 가르치려 한다고 상상해 보세요. 과학의 세계에서 이는 **로보틱스(robotics)**와 **인공지능(artificial intelligence)**의 영역에 속하며, 이곳에서 엔지니어들은 스스로 움직이고 생각할 수 있는 기계를 만듭니다. 보통 이런 기계를 만들 때, 우리는 모든 부품을 동일하게 만들려고 노력합니다. 모든 볼트의 크기가 같고 모든 기어가 똑같은 방식으로 회전하는 공장 라인을 떠올려 보세요. 모든 것이 완벽하고 균일하다면 기계도 완벽하게 작동할 것이라는 생각입니다.

하지만 자연은 다르게 움직입니다. 인간이나 벌처럼 살아있는 생명체를 보면, 차이점들로 가득 차 있습니다. 당신의 왼손은 오른손과 정확히 같지 않으며, 뇌세포는 약간씩 다른 패턴으로 신호를 보냅니다. 심지어 박테리아 군집조차 복제본들로 이루어져 있지 않습니다. 과학자들은 이를 **다양성(diversity)**이라고 부릅니다. 오랫동안 엔지니어들은 이러한 "무질서함"을 그저 노이즈, 즉 수정하거나 무시해야 할 대상으로 여겨왔습니다. 그러나 최근에는 이 다양성이 오히려 초능력이 될 수 있다는 아이디어가 커지고 있습니다. 다양성은 벌레가 다리를 잃거나 새가 갑작스러운 폭풍을 만나는 것처럼 상황이 잘못되었을 때, 생명체가 다시 일어설 수 있도록 도와줍니다. 여기서 큰 질문이 생깁니다. 우리는 이와 같은 기술을 사용하는 로봇을 만들 수 있을까요? 로봇이 완벽해서가 아니라, 경이롭고 혼란스러울 정도로 서로 다르기 때문에 회복 탄력성을 갖게 만들 수 있을까요?

논문: 미지의 세계에서 살아남기 위해 혼돈을 길들이다

이 연구에서 버몬트 대학교의 앨리스 헤인(Alice Hein)과 조쉬 봉가드(Josh Bongard) 연구진은 다음과 같은 파격적인 가설을 테스트하기 위해 나섰습니다. "만약 우리가 로봇의 겉모습을 더 강하게 만들기 위해 의도적으로 내부를 망가뜨린다면 어떻게 될까?"

그들은 이 실험을 위해 실제 금속 로봇을 만들지 않았습니다. 대신, 아이디어를 빠르고 안전하게 테스트할 수 있는 컴퓨터 내부의 가상 세계인 **시뮬레이션(simulation)**을 구축했습니다. 이는 마치 수천 개의 서로 다른 로봇 설계를 생성하고, 서로 충돌시켜 보고, 실제 자동차를 부술 걱정 없이 어떤 일이 일어나는지 확인할 수 있는 비디오 게임과 같습니다.

실험: "형태학적" 동물원 만들기

먼저, 연구팀은 100개의 독특한 시뮬레이션 로봇 '에이전트(agents)'를 생성했습니다. 이들은 표준적인 로봇이 아니었습니다. 이들은 **형태학적으로 다양(morphologically diverse)**했는데, 즉 모양과 크기가 제각각이었습니다. 어떤 것은 질량 덩어리인 11개의 작은 공가 연결된 형태였고, 어떤 스프링은 '능동적'(밀고 당길 수 있음)이었던 반면, 어떤 것은 '수동적'(그냥 흐느적거림)이었습니다. 각 로봇은 평지에서 앞으로 걷도록 훈련되었습니다. 모양이 모두 달랐기 때문에, 그들은 저마다의 독특하고 별난 방식으로 걸었습니다.

다음으로, 연구진은 두 로봇을 하나로 묶어주는 특수 스프링인 '커넥터(connectors)'를 도입했습니다. 목표는 이 쌍이 팀으로서 함께 앞으로 걷게 만드는 것이었습니다. 하지만 여기에 반전이 있습니다. 그들은 커넥터를 두 가지 매우 다른 방식으로 훈련시켰습니다.

1. 클론 캠프(The Clone Camp): 로봇을 자신의 똑같은 복제본(일란성 쌍둥이)과 연결했습니다.
2. 다양성 캠프(The Diversity Camp): 완전히 다른 로봇들을 서로 연결했습니다(예: 키가 크고 날씬한 로봇과 작고 둥근 로봇을 연결).

커넥터는 이 쌍을 관리하는 법을 배워야 했습니다. 만약 쌍이 클론이라면, 커넥터는 단순히 그들의 보조를 맞추기만 하면 됩니다. 하지만 만약 쌍이 다양하다면, 커넥터는 많은 **내부적 역경(internal adversity)**을 다뤄야 합니다. 한 로봇은 구르고 싶어 하는 반면, 다른 로브는 뛰고 싶어 할 수도 있습니다. 커넥터는 이 혼돈을 "길들여서", 서로 맞지 않는 쌍이 여전히 앞으로 나아갈 수 있도록 자신의 스프링을 조절하는 법을 배워야 했습니다.

대규모 테스트: 미지의 세계로 던져지다

커넥터 훈련이 끝나자, 연구진은 이 팀들을 12개의 완전히 새롭고 까다로운 환경에 던져 넣었습니다. 이곳은 단순히 평평한 바닥이 아니었습니다. 얼음, 모래, 가파른 경사, 강한 바람, 심지어 저중력 상태까지 포함된 곳이었습니다. 로봇들은 이 장소들을 본 적이 없었으며, 테스트 중에 학습하거나 적응할 수도 없었습니다. 그들은 오직 훈련 과정에서 배운 것에만 의존해야 했습니다.

결과:
발견된 사실은 놀랍고 명확했습니다.

• 단독 로봇: 커넥터 없이 개별 로봇들이 새로운 환경에 보내졌을 때, 그들은 고전했습니다. 새로운 지형이 그들의 특정 걷기 방식을 혼란스럽게 만들자 로봇들은 넘어지거나 움직임을 멈췄습니다.
• 균일한 팀: 동일한 로봇과 클론 훈련을 받은 커넥터로 구성된 팀은 어느 정도 해냈지만, 환경이 이상해지면 여전히 휘청거렸습니다.
• 다양한 팀: 승리한 팀은 서로 다른 로봇들이 다양성 훈련을 받은 커넥터에 의해 묶인 팀이었습니다. 이 팀들이 가장 멀리 이동했으며 얼음, 바람, 경사면을 가장 잘 견뎌냈습니다.

왜 성공했을까? "내부 드릴" 이론

논문은 이 성공에 대한 매혹적인 이유를 제시합니다. 커넥터가 다양한 쌍을 통해 훈련받았을 때, 그들은 훈련 단계에서 이미 세상의 "더 어려운" 버전을 경험했다는 것입니다.

음악가가 연습하는 모습을 상상해 보세요. 만약 그들이 완벽한 오케스트라와서만 연주한다면, 동료가 틀린 음을 연주할 때 당황할 수 있습니다. 하지만 만약 그들이 끊임없이 리듬, 템포, 스타일을 바꾸는 밴드 동료와 함께 연습한다면, 그들은 즉각적으로 적응하는 법을 배우게 됩니다.

시뮬레이션에서 다양한 로봇을 통해 훈련받은 커넥터들은 서로 맞지 않는 파트너로 인해 발생하는 "실수"를 계속해서 바로잡아야 했습니다. 그들은 엄청난 범위의 기이한 움직임을 다루는 법을 배웠습니다. 이와 동일한 커넥터들이 나중에 새로운 환경(예: 바람 부는 언덕)에 놓였을 때, 바람의 영향은 익숙한 느낌을 주었습니다. 왜일까요? 바람의 효과가 그들이 이미 관리하는 법을 배웠던 내부의 혼돈과 닮았기 때문입니다. 그들은 효과적으로 **역경을 통해 사전 훈련(pre-trained)**된 것입니다.

연구진은 또한 이 효과가 팀이 커질수록 더욱 강력해진다는 것을 발견했습니다. 5개, 10개, 심지어 20개의 다양한 로봇을 사슬처럼 연결했을 때, 전체 그룹은 믿기 힘들 정도로 회복 탄력성이 높아졌습니다. 팀이 더 다양할수록, 그들은 미지의 상황을 더 잘 처리했습니다.

이것이 미래에 의미하는 바

저자들은 이것이 오늘날 바로 살 수 있는 완성된 로봇이 아니라 하나의 시뮬레이션임을 주의 깊게 밝히고 있습니다. 그들이 로보틱스의 모든 문제를 해결했다고 주장하는 것도 아닙니다. 하지만 그들은 새로운 사고방식을 제안합니다.

로봇을 완벽하고 동일하게 만드는 대신, 어쩌면 의도적인 내부 다양성을 가지고 만들 수도 있습니다. 더 작고 서로 다른 기계들이 함께 작동하게 하고, 서로의 특이점에 적응하도록 강제함으로써, 우리는 현실 세계의 예기치 못한 상황에 대해 자연스럽게 강해지는 기계를 만들 수 있을지도 모릅니다. 이는 마치 "단순히 완벽한 군인을 만들지 말고, 진흙탕 속에서 함께 싸우는 법을 배운 다양한 사람들의 팀을 만들어라. 그래야 적이 무엇을 던지더라도 대처할 수 있다"라고 말하는 것과 같습니다.

논문은 결론적으로, 실제 세계의 로봇은 배터리 수명이나 복잡한 통신과 같은 훨씬 더 많은 과제에 직면해 있지만, 내부적 물리적 역경을 사용하여 외부적 역경에 대비하는 아이디어는 유망한 경로라고 설명합니다. 이는 회복 탄력성의 비밀이 완벽함이 아니라, 내 안의 혼돈과 함께 춤추는 능력에 있다는 것을 시사합니다.