세포 자동자와 능동 물질: 비교하고 접점을 탐색하기

콘웨이의 생명 게임으로 가장 잘 알려진 Cellular automata (세포 자동자) 에서는 그 규칙과 초기조건에 따라 여러 가지 멋진 집단현상들이 보고된다. 자기 혼자서만 주기적으로 변화하는 패턴, 무언가를 계속 멀리 쏘아보내는 패턴, 마치 영양분이 충분한 균들처럼 무한 증식하는 패턴 등이 있다.

이러한 세포 자동자를 이산적인 격자가 아니라 연속적인 공간에서 정의하기도 하는데, 가장 유명한 것들로는 S Rafler가 만든 SmoothLife와, Bert Chan이 만든 Lenia 등이 있다 (아래 그림). 이들은 연속적인 공간에서 정의되다 보니, 정말로 동글동글한 원시적 생명체처럼 생긴 것들이 서로 다양한 모양으로 결합해서 구조를 이루는 등 무척이나 신기하다. 후자의 Lenia를 만든 Bert Chan의 경우 구글브레인 도쿄 캠퍼스에 계신 분이고, 지금은 프린스턴 고등연구소에 visiting하고 계신 듯하다.

expanded version of Lenia - 연속적 공간에서의 세포자동자 예시. 출처: Bert Wang-Chak Chan. "Lenia and expanded universe." (링크).

Lenia - 연속적 공간에서의 세포자동자 예시. (출처: Bert Wang-Chak Chan. "Lenia-biology of artificial life." arXiv preprint arXiv:1812.05433 (2018)).

한편, 현재 내 연구 주제인 능동물질(active matter)도, 에너지를 소모해서 스스로를 평형으로부터 멀게 유지하며 자기조직화를 하기 때문에 여러 가지 재미있는 집단현상들을 나타낸다. 이들이 그 상호작용 규칙과 파라미터 범위에 따라 보여주는 여러가지 패턴은, 어떤 순간의 물질 분포와 미리 정해진 동역학적 규칙 그리고 확률적으로 더해지는 노이즈값에 따라서, 그 다음 순간의 물질의 밀도분포 (혹은 입자기반 모형일 경우 각 입자들의 위치) 가 정해지는 방식으로 업데이트된다.

언뜻 생각하기에 이러한 능동물질은 세포자동자와 매우 밀접하게 관련지어질 수 있어 보인다. 둘 다 공간 속에서 외부 입력 없이 에이전트들끼리의 상호작용 규칙에 따라 자발적으로 비자명한 패턴을 형성하는 것이기 때문이다.

그러나 세포자동자에서 보고되는 수많은 패턴들이, 생각보다 우리 통계물리학 분야의 능동물질 패러다임에서 그다지 적극적으로 탐구되지는 않고 있다. 그 이유가 무엇일까? 분야의 발전사와 관련된 역사적 이유도 있겠지만 보다 필연적인(?) 이유가 있을지도 모른다. 내 생각에 그 가장 큰 이유는, 세포 자동자의 변화 규칙을 실제로 implement할 수 있는 "물리적으로 구현가능한 메커니즘"이 무엇인지가 모호하다는 점이 큰 것 같다.

즉 능동물질은 어디까지나 물리학 모형이기 때문에 물질 혹은 신호가 국소적으로, 즉 한 점에서 바로 인접한 다른 점으로 잇따라 전달되어야 한다거나, 실제 물리계 혹은 생체계에서 구현 가능한 메커니즘이어야 하는 등 여러 제약들이 존재한다. 반면 세포자동자의 경우에는 세포가 동에번쩍 서에번쩍 하는 것도 가능한 등, 업데이트 규칙의 설정이 능동물질의 경우보다 훨씬 자유로운 듯하다. 주로 컴퓨터 아트 및 정보과학의 문화예술 응용 쪽 (정확히 어떻게 묶어 불러야 할지 모르겠음. 아무튼 미디어 아티스트들이나, Bert Chan 같은 분들) 에서 그 패턴형성 및 형태형성을 많이 탐구하는 듯하다.

이 두 가지 분야의 잠재적인 접점을 구체적으로 탐색하고 실현하려면 두 가지 방향이 가능할 것이다. 세포자동자를 탐구하는 사람들이 조금 더 physics-grounded된 모형을 보거나, 아니면 반대로 능동물질을 탐구하는 사람들이 능동입자들의 상호작용 규칙을 약간 더 자유분방하게 세팅해주는 방법이 있다. 후자의 경우 단순히 국소적인 역학적 상호작용뿐만 아니라, 주변을 인식하고 제어하는 일종의 intelligence를 개별 입자 수준에 주는 것이다.

첫 번째 방향에 해당하는 것을 지난번에 최승준 교수님께서 알려주셨다 (물리학전공자 출신으로 미디어아트 쪽에 계시면서 최신 과학기술을 적극 접목하시는 분으로 알고 있다). DeepDream으로 유명했던 알렉산더 모드빈체프 (Alexander Mordvintsev) 는 그 이후로는 neural cellular automata라고 해서, 세포자동자를 마구 흩뜨려 놓은 상태에서 출발시켜도 원하는 이미지로 수렴하도록 상호작용 규칙을 학습하는 매우 신기한 분야를 연구하고 있다. 인공지능의 이미지 생성에 관심 있는 사람들은 한번쯤 봤을법한 초록색 도마뱀 그림이 바로 그거다 (Growing neural cellular automata: 링크). 이러한 neural cellular automata는 전기정보공학부 김영민 교수님 연구실에서 생성적 산업디자인에 응용하기도 했다 (아래 그림).

Neural cellular automata를 이용한 모양 완성 (shape completion), 전기정보공학부 김영민 교수님 연구. (출처: https://iclr.cc/virtual/2021/poster/2914, Zhang, Dongsu, et al. "Learning to generate 3d shapes with generative cellular automata." arXiv preprint arXiv:2103.04130 (2021).

그런데 이 모드빈체프가 최근에는 세포자동자가 아니라 입자 기반 시뮬레이션에 관심을 가지고 있다고 한다. 내가 그 동기를 정확히 알지는 못하지만 추측으로는 아마도 위에서 말한 내 문제의식대로, 단지 컴퓨터 속에서가 아니라 실제 물리계, 이를테면 살아있는 세포들 혹은 나노머신들로 실현 가능한 상호작용 규칙을 원해서가 아닐까 싶다.

(여담이지만 인공적/자연적 신경망 쪽에 인상깊은 기여를 하신 분들이 living matter 쪽에도 관여하는 경우가 유난히 많아서 신기하다. 지난번에 Hopfield의 볼츠만 메달 수상소식에 대해 포스팅했을 때도 비슷한 얘기를 했다. 뉴럴네트워크는 결국 여러가지 패턴을 표현가능하고 심지어 일반화까지 가능한 커다란 비선형 시스템이다보니, 생체 패턴형성 및 형태형성 쪽이랑 그 방법론적 출발점은 달라 보이지만 사람들의 머리속에서 뭔가 비슷한 종류의 관심사로 분류되는 듯하다.)

다음으로 그 반대 방향, 즉 능동물질의 상호작용 규칙을 약간 더 sophisticated하게 디자인하는 방향을 보자. 예컨대 주변을 인식하고 주변에 영향을 줄 수 있으며, 운동 능력도 매우 뛰어난 intelligent한 나노머신을 대량 만들어서 뿌려뒀다고 생각하면 되므로, 그리고 능동물질이 애초에 그런 것의 가장 단순한 형태라고 할 수 있으므로, 안 될 것은 없다. 물론 상호작용의 규칙이 복잡해질수록, 되도록 단순한 규칙에 따른 집단현상을 선호하는 통계'물리학'에서 멀어지는 느낌은 있지만, 아무튼 '물리적'으로 구현은 가능하다.

실제로 지난 11월에 참석했던 학회에서 Igor Aranson 교수님의 발표를 들을 기회가 있었다. 이분이 연구하신 것은 signaling (혹은 communicating) active matter인데, 능동물질의 구성 입자들이 단순히 자체 추진 및 상호간에 역학적 충돌만 하는 것이 아니라, 한 발 더 나아가서 화학물질의 밀도파를 통해 신호를 원거리까지 전달한다는 개념이다. 이렇게 파동에 의한 원거리 신호전달이 존재하면, 파라미터 선택에 따라서 기존 능동물질 분야에서는 흔히 본적이 없고 마치 콘웨이의 생명게임에서 나올 법한 매우 다채로운 집단현상이 나타난다. 이미지로 첨부한다. 화학적 신호가 아닌 음파 신호, 즉 입자들 자체의 진동을 서로 주고받을 때에 나타나는 패턴들도 소개해 주셨는데 (acoustic signaling), 구글 스콜라에 뜨지 않는 걸 봐서 bulletin으로만 있고 아직 논문으로 나오지는 않은 듯하다.

신호를 주고받는 능동물질 (communicating active matter) 에서 나타나는 다양한 집단 현상들 1. 우측 상단은 입자 시뮬레이션 기반 모형, 우측 하단은 밀도함수 기반의 모형인데 서로 잘 대응되는것이 보인다.(출처: https://www.nature.com/articles/s41467-022-34484-2)

신호를 주고받는 능동물질 (communicating active matter) 에서 나타나는 다양한 집단 현상들 2. (출처: https://www.nature.com/articles/s41467-022-34484-2)

만약에 이런 양방향적 탐구들을 통해 세포 자동자와 능동물질 분야의 접점이 넓어진다면, 능동물질을 가지고 할 수 있는 일이 매우 많아진다. 예컨대 세포 자동자에서는 튜링 머신을 구현할 수 있는 방법이 잘 연구되어 있다. 크기만 충분히 크다면 세포자동자가 유니버셜한 컴퓨터의 역할을 할 수 있다는 것이다. 그런데 만약에 능동물질을 이용해서도 노이즈에 대해 강인한 튜링머신을 만들 수 있다면, 현재의 반도체 기반 디지털컴퓨터 패러다임에서 벗어난 unconventional computing의 좋은 예시가 될 수 있는 것 같다. 이전에 포스팅했던 Herbert Jaeger의 리뷰논문에도 living system을 컴퓨터로 사용한다는 얘기가 나오는데, 이것과도 관련지을 수 있어 보인다. 이러한 unconventional computing은 저전력 컴퓨팅의 발전에 역할을 할 수 있을 것으로 기대되며, 개인적으로는 특히 오차를 허용하는 딥러닝 패러다임과 궁합이 좋을거라는 상상을 하게된다.

내가 궁극적으로 하고 싶은 일도, 지금까지 얘기한 내용들과 약간 관련이 있다. 머리속 혹은 컴퓨터 속에 존재하면서 매우 고도화된 집단현상들을 나타내는 여러가지 모형들도, 결국에는 국소성, 보존법칙, 그리고 무엇보다도 열역학법칙 등 여러 물리학적 제약을 받는 물리적 시스템으로써 실현될때 더욱 의미가 있다는 점을 상기하는 것이다. 이 중에서도 나는 통계물리학 전공이다 보니 열역학적 원리에 관심이 많다. 물론 나 혼자 하고 있는 상상이고, 학위과정 동안에, 혹은 학위과정 이후에 이러한 방향의 커리어를 꾸려나갈 수 있을지는 내 능력과 주변 상황에 달려 있을 것이다. 내 관심사 자체가 바뀔 수도 있고.

특히 국소적인 역학적 상호작용뿐만 아니라 원거리 신호 전달 같은 게 있을 경우, 에너지 출입을 다루는 전통적인 열역학뿐만 아니라, 맥스웰의 악마 개념을 포함하여 정보 출입까지 다룰 수 있도록 일반화된 '정보열역학'을 적극 도입해서 새로운 결과들을 얻을 수 있지 않을까 한다.

이러한 각각의 집단현상들에 underlying하는 열역학적 비용을 밝히고 그것을 줄일 수 있는 방법을 제안한다면, 생명체 및 생체모방 인공시스템들의 패턴형성 및 형태형성, 그리고 컴퓨팅 (특히 머신러닝) 구현의 새로운 패러다임 등에 나름의 기여를 할 수 있지 않을까 한다. 에너지를 아끼는 것, 혹은 필요하다면 에너지를 써서라도 원하는 기능을 달성하는 것, 그리고 그 사이에서 적절한 판단을 하는 것은 정말 중요하니까 말이다.

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외교 실언 대응을 보며: 대통령 무오류설은 사태를 더 키울 뿐이다

이전에도 몇 번 썼듯이, 현재 대통령은 경제사안이나 국제문제 등에 대해 본인의 사적인 (즉 공식적 보좌에 의해 생산되는 것이 아니라 개인적으로 가지고 있는) 신념을 선명하게 가져가는 타입인 것으로 보이며, 대선 후보 시절부터 이로 인한 것으로 추정되는 돌출발언이나 실언이 많은 편이다.

대통령이 UAE를 방문 중이라는 상황적 지식을 바탕으로, 이란이 UAE의 적이라고 강하게 규정하는 발언을 하게 된 이유가 무엇일지 상상은 해 볼 수 있다. 아마 시아파-수니파 차이를 생각한 것일 수도 있겠고, 이란이 북한처럼 국제무대에서 공인된 소위 '악의 축'이므로, 북한을 머리에 이고 있는 우리 상황과 관련지어서 얘기한 것일 수도 있다. 물론 그 상세는 발언자인 대통령이 직접 밝히지 않는 한 불명이다.

대통령은 외교무대에서 상징성을 갖는 행동들과 적절한 의례를 수행한다. 이를 위해 맥락에 맞는 자료와 적절한 보좌를 제공받아, 각각의 상황에서 기대되는 내용을 준비해서 발언하는 것이 대통령의 역할이다. 물론 즉흥적인 쇼맨십이나 임기응변도 중요할 때가 있다. 그러나 이번 발언은 국제무대에서 흔히 나오는 종류의 발언이 아니기에 모종의 합리적 의도가 추론되지 않고 불안감을 조성하게 되며, 전형적인 윤 대통령 특유의 사적 신념에 따른 돌출발언에 해당하는듯하다.

여러 후속보도들에서 알려진 바에 따르면 UAE와 이란은 비록 삐걱삐걱하지만 최근에 잘 지내려고 노력을 하고 있는 관계로 보인다. 그런 면에서 이란이 UAE의 '적'이라는 단정적 발언은 일단 사실 자체로 틀렸을 뿐더러, 모종의 합리적 의도를 추론해 내기 힘든 기괴한 발언이다. 아시아대륙 반대편 나라의 수장이, 두 국가의 관계를 규정하고 서로 '싸움 붙이는(?)' 발언을 대체 왜 한단 말인가?

여러가지 외교 실언 논란의 전례에 비추어봤을때도 사건의 본질은 대통령의 돌출적 발언임이 확실해 보인다. 그리고 그러한 돌출적 발언이 한국 주도의 외교 새판짜기가 아니라 오히려 해명을 계속해야 하는 곤혹스런 상황으로 이어진것으로 보아, 스트롱맨 타입의 지도자들이 종종 하는 의도된 강경발언이라기보다는 단순 실언으로 보인다.

그렇다면 이에 대해 솔직한 해명을 하는것이 제일 깔끔하다. 그런데 지금 상황을 보면 정치인들의 무리한 옹호가 오히려 사태를 더 키워서 상황을 더 어렵게 꼬아 놓는 듯하다. 그중에서도 아예 대놓고 거짓말인, '이란과의 관계에 대해 대통령은 언급하지 않았다' 같은 무마용 발언은 그렇다고 치자. 오히려 더 걱정되는 것은 지나치게 거창한 옹호들이다.

특히 한국-이란 관계, 나아가 국제 무대에서 이란의 위치 등을 언급하는 큼직큼직한 발언들이 교통정리가 되지 않은 채로 여러 한국 정치인들에게서 동시다발적으로 나오는것은 우려할 만한 상황으로 보인다.

이란의 인권탄압국이자 테러지원국이라는 면모를 무시하자거나, 이란은 한국한테 중요한 나라니까 쩔쩔매자거나 하는게 당연히 아니다 (위의 '거창한 옹호자'들이 주로 저렇게 매도한다). 외교현장에서 일반적으로 발화되지 않는 종류의 발언이 나왔으니 그에 대해 설명이 있어야 한다는 것이다. 이것은 단순히 이란과의 관계 때문이 아니라, 국제무대 전체가 지켜보는 일이기도 하다.

중요한 포인트를 짚자면, 이란에도 적절한 정보와 판단능력을 갖춘 외교 전문가들이 없지 않을 테니, 이번 발언이 단순히 우리 대통령 개인의 돌출적 실언인지, 아니면 양국관계 규정의 근본적 변화를 시사하기 위해 의도된 외교적 사건인지 정도는 구분하고 있을 것이다.

이는 다른 어떤 웬만한 나라도 마찬가지다. 낸시 펠로시 패싱 사건 때 결례의 수준이 심각했음에도 불구하고 미국 측이 그냥 넘어간 것은 당시 사건이 철저하게 의도된 결례가 아니라, 정권이 메시지를 적절한 수준으로 잘 조직해서 발신하는 데에 서툴러서 일어난 사고에 불과(?)하다는 걸 잘 이해하고 있어서였을 것이다. 굳건한 한미동맹을 유지하는것이 우선이므로, 한국정부의 당시 외교 의전 역량 부족을 굳이 들춰내서 언급할 이유가 없으니 모른척 연기하는 것이다.

이란은 반미 국가이고 심지어 한국의 적인 북한을 지원한다고 단골으로 이름이 오르내리는 나라인데도, 경제 교류가 있어서 그런지 신기하게도 한국-이란 양국은 노골적 외교 갈등을 피하고 무난한 관계를 유지하고자 해왔다고 한다. 그런데 그러한 관계가 국제정세 변화와 대이란 제재로 인해 새로운 국면을 맞고 있는 요즈음, 우리 대통령의 실언은 이란 쪽에서 꺼낼수 있는 하나의 좋은 '패'가 된다. 그쪽이 뭔가 수틀리면, 돌출발언이라는 점을 의도적으로 모른 체하고 유리하게 이용할 수가 있다. 당장 사건 직후에 해명하라고 압박하거나 대사를 초치한 것도 넓게 보면 그 일환일 것이다.

이러한 상황에서 대통령의 위와 같은 발언이 돌출발언에 불과했다는 점을 우리 정치권 스스로도 인정을 못 해 버리면, 그건 이란이 사용하는 '패'에 정당성을 부여해 주므로 결국 상대방 좋은 일만 해주는 셈이다. 또한 그런 일이 일어나도록 한 한국정치권의 외교역량에 대해 국제 사회의 의구심이 발생할 수 있어 보인다.

한편 이란은 어차피 빌런 같은 국가인데 왜 그들의 카드놀이 패에 대해 눈치를 봐야 하냐는 주장도 종종 보인다. 이 역시 위의 내용들로 충분히 반론이 되리라 본다. 그러한 주장은 대통령의 발언을 옹호하기 위한 임기응변으로서, 대통령의 당초 의도에도 없었을, 눈치를 안 보고 소신을 얘기하는 일종의 '강짜' 내지는 '사이다' 외교를 대통령이 수행한거라고 선해하게 된다. 그러나 이는 맥락상 어색할 뿐더러 한국이라는 나라의 기존 외교 행보, 그리고 품위와 체급에 맞지 않다. 또한 위에서 이미 언급했듯이 이번 발언을 통해 한국이 얻는 것이 딱히 없고 계속 해명을 해야 하는 곤혹스러운 상황에만 처하게 되고 있으므로 그 효과 또한 의문이다.

국내 정치인들이 마치 대통령 발언의 무오류성을 수호하겠다는 일념을 내비치듯, 외교관계에 대한 민감한 발언들을 트럭단위로 쏟아내며 대통령 철통방어에 복무시키는 것은 지극히 근시안적이라고 하겠다. 외교에서 여러 예상치 못한 사건이야 늘 생길 테지만, 그것에 대응하는 과정에서 한국 정부여당의 외교적 역량은 실시간으로 시험대에 오르게 되며 이는 잠재적으로 각국과의 관계에 영향을 미칠수있는 중요한 부분일 것이다.

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[유우머] 어느 갑각류 연구소

어느 갑각류 연구소에서는 인위적 조치를 통해 게들의 여러 신종과 중간종을 만들어내었다.

이 게들은 특징에 따라 식용, 애완용 등으로 쓰였으며, 유용한 물질대사 산물이나 해조류 수분 매개자로서의 특성 등에 착안한 생명공학적 이용도 이루어졌다.

그런데 이처럼 인위적 개량으로 생명체를 수단화하는 것에 윤리적 의문이 제기되었으며, 게들이 방생되고 기존 게들과 유전자 및 서식지가 섞이면서 생태계 파괴도 일어났다. 보다못한 한 원로 학자는 연구자 스스로 연구의 파급효과를 예상하고 한계를 설정하는 책임 의식을 요구했다. 노학자가 충고하기를...

"한계 두게. 세계 내 게 다 섞게?"

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