왜 하필 로봇 물고기야?
4대강이 먼저 떠오르는 그 로봇 물고기는 아니다. 물론 진짜 물고기가 아니면서 어딘가에 사용할 목적으로 만든 가짜 물고기라는 점은 비슷하지만 말이다.
학자들은 지금으로부터 약 45억 년 전에 지구가 생겨나고, 약 30억 년 전에 최초의 생명이 나타났다고 여긴다. 최초의 생명은 어떻게 생겼을까? 아무도 알지 못한다. 다만 간단한 단백질 합성물이었으리라 여겨지며, 이 단순한 물질이 지금의 200만 종에 가까운 다양한 생물로 진화하고 분화했다. 그것도 인간에게 발견된 것만 200만 종이다.
19세기 말 다...
왜 하필 로봇 물고기야?
4대강이 먼저 떠오르는 그 로봇 물고기는 아니다. 물론 진짜 물고기가 아니면서 어딘가에 사용할 목적으로 만든 가짜 물고기라는 점은 비슷하지만 말이다.
학자들은 지금으로부터 약 45억 년 전에 지구가 생겨나고, 약 30억 년 전에 최초의 생명이 나타났다고 여긴다. 최초의 생명은 어떻게 생겼을까? 아무도 알지 못한다. 다만 간단한 단백질 합성물이었으리라 여겨지며, 이 단순한 물질이 지금의 200만 종에 가까운 다양한 생물로 진화하고 분화했다. 그것도 인간에게 발견된 것만 200만 종이다.
19세기 말 다윈이 본격적으로 ‘진화’의 개념을 소개한 이래 진화론은 더 이상의 경쟁이론이 나오지 않을 정도로 탄탄한 학문적 토대 위에서 과학적 상식이 되었다.
그런데 아쉬운 점이 있다. 아무도 과거의 진화과정을 직접 목격한 적이 없다는 사실이다. 물론 학자들은 갈라파고스 제도의 땅방울새의 진화 같은 좁은 지역에서의 특정한 종의 진화를 직접 관찰하고 연구하긴 하지만, 이는 전체 진화의 역사에서 ‘새발의 피’라는 말도 부족할 정도다. 더욱이 이런 연구조차 대상과 장소를 환상적으로 잘 선택했다는, 좋은 운이 따라야 가능하고 말이다. 화석도 있긴 하다. 하지만 장구한 진화의 역사에서 비밀의 수수께끼를 풀 열쇠라 하기에는 턱없이 부족하다.
《다윈의 물고기》의 저자 존 롱은 바다와 물고기를 사랑하는 해양생물학자다. 오랜 동안 물고기가 어떻게 진화해왔는지, 그 진화를 일으킨 환경의 변화가 도대체 무엇이었는지 알고 싶었다. 하지만 고생고생 잠수를 해가며 물고기를 지켜봐도, 굽실굽실 생선가게에서 물고기 사체를 얻어와도, 몇 년에 걸쳐 몇 백 번의 실험과 조사를 해도, 물증을 잡을 수 없었다. 이미 멸종돼버린 물고기를 지금의 바닷속에서 찾을 수는 없기 때문이다.
그래서 결심한다. 차라리 ‘물고기 조상님’을 만들자! ‘로봇 물고기’를 만들자! 이들을 초기 지구의 바다와 비슷한 곳에 풀어놓고 ‘진화’를 시키자! 그럼 무슨 일이 일어났는지 알 수 있을 테다. 이렇게 해서 4년 동안 23명의 팀원과 그보다 더 많은 조언자들과 함께 로봇 물고기 태드로를 ‘생명경기’에 풀어놓는다.
《다윈의 물고기》는 저자, 그리고 ‘재미를 추구하며 근사한 것을 배우고 싶어 하는 너드들’인 그의 학생과 동료들이 겪었던 실패와 좌절, 호기심과 끈기와 희망을 담은 책이다.
로봇 물고기 태드로와 함께 한 생물학자의 좌충우돌 실험이야기
1장 왜 하필 로봇이지?는 왜 생물학자가 로봇공학에 발을 들여놓게 되었는지에 대한 이야기다. 어린 시절부터 물고기에 매혹돼 물고기를 쫓아다니던 저자는 도대체 왜 어떤 생물은 척추가 있고, 어떤 생물은 척추가 없으며, 더 나아가 등뼈의 모양은 왜 이다지도 다양한지 너무나 궁금했다(잠깐 용어설명을 하자면, 척주는 척추동물의 목에서 꼬리까지 뻗은 유연성 있는 뼈들의 연쇄를 일컬으며, 척주를 이루는 각각의 뼈들을 척추 또는 척추골이라고 한다. 척추가 없는 척삭도 있다. 척추동물의 조상은 척추 없이 척삭만 있었다고 한다).
그리고 급기야 초기 척추동물의 조상이라고 여겨지는 올챙이 모양의 로봇을 만들고, 이 로봇들이 진화적 압력을 겪고, 짝짓기와 자원을 놓고 경쟁하고, 유전자 변이를 일으키도록 한다. 저자의 가설은 이랬다. ‘등뼈가 뻣뻣할수록 더 빨리 헤엄칠 수 있다. 더 많이 더 빨리 먹이를 먹을 수 있으므로 생존해 짝짓기하고 후손을 남길 확률도 더 높다.’
이제 로봇 물고기를 직접 만들어 가설을 검증할 차례다.
1장에는 요즘 흔히 사용하기도 하고 성능도 훌륭한 컴퓨터 시뮬레이션을 왜 사용하지 않았을까?란 질문도 등장한다. 저자는 자신이 박사논문을 쓸 때 했던 실수를 소개하면서 이렇게 설명한다.
‘물리 모형(현실적으로 만질 수 있는 모형)은 물리법칙을 어길 수 없다.’
모든 컴퓨터 모형이 그런 건 아니지만, 실수했다가는 물리법칙을 어기고서도 멀쩡히 움직이는 모형을 만들 수도 있다. 제대로 된 실험결과를 보이지 않을 것이 분명하다. 반면 실제 물리 모형은 작동을 안 하면 안 했지, 잘못된 결과를 보여주지는 않는다.
2장 진화라는 생명경기는 본격적인 내용에 들어가기에 앞서 상식으로 인정받음에도 만만찮게 오해를 사고 있는, ‘진화’의 개념에 대해 짚고 넘어간다. 저자가 가장 중요하게 강조하는 것은 ‘진화의 방향이 ‘우리 생각에’ 더 낫거나 훌륭하거나 멋진 곳을 향하는 것이 아니’라는 점이다. 진화의 방향은 항상 자신이 속한 환경에 딱 맞는 방향을 향할 뿐이다. 예를 들자면 눈이 없어야 생존확률이 높은 환경이라면 눈이 없어지는 게 진화의 방향이다.
3장 진화봇을 만들자에서는 본격적으로 로봇 물고기를 만들기 전에 반드시 해봐야 할 설계질문 여섯 가지를 소개한다. 저자는 로봇 물고기를 만들기 위해 엔지니어들과 만나면서 ‘엔지니어의 비밀코드’를 알게 된다. 바로 ‘이해하면 만들 수 있다’라는 코드다. 가설을 검증하기 위해 로봇을 만들려는 저자에게는 완전 정반대의 사고방식이지만, 결국 이 비밀코드가 굉장히 도움이 됐다고 밝힌다.
저자가 소개하는 설계질문들은, 이 책에서는 ‘로봇 물고기’지만, 적절히 바꾼다면 다른 실험과 연구에도 적용할 수 있는 기본적이고 핵심적인 질문들이다. 이름짓기의 중요성부터 강조한 저자는 모형화할 동물을 왜 선택할 건지, 그 동물의 어떤 성질을 선택할 건지, 그 동물의 세계에서 어떤 성질을 선택할 건지, 어떤 선택압을 선택할 건지, 하나로 어우러진 그 동물과 그 동물의 세계는 어떻게 표현할 건지, 훌륭한 모형인지는 어떻게 판단할 건지 등의 질문에 차근차근 답해나간다.
4장 생명경기장에 들어선 로봇 물고기에서는 ‘섭이행동을 강화하는 자연선택이 초기 척추동물에서 척추골의 진화를 추동했다’, 다시 말해 먹이를 잘 찾아먹기 위해 척추가 진화했다는 가설을 검증하기 위해 로봇 물고기 태드로 세 마리를 생명경기장(실험실 안 수조)에 풀어놓는다.
그런데 이것이 실험의 묘미이리라. 태드로들이 진화하기는 했지만, 실험 전에 했던 예측과 맞아떨어지지도 않고, 가설도 제대로 검증하지 못한 것이다. 저자와 팀원은 절망과 우울의 나락으로 떨어진다. 만약 여기서 접었다면 이 책은 나오지도 못했을 거다.
저자는 정신을 가다듬고 어디서부터 잘못됐는지 세심히 검토한 끝에 실험 전에는 생각도 못했던 사실을 발견한다. 조금만 설명하자면, 태드로가 먹이를 먹으러 갈 때 직진해 가지 못하고 갈팡질팡하면 마이너스 점수를 줬었다. 그런데 실상은 속도가 빠를수록 갈팡질팡 정도가 커졌던 것이다. 즉 ‘갈팡질팡’은 플러스 점수를 줬어야 하는 사항이었던 거다.
이와 더불어 저자는 새로운 가설을 새운다. 그냥 먹이찾기만으로는 안 된다! 먹되 잡아먹히지 말아야 하는 상황에서 척추가 진화한 것이다! 라는 가설이다. 이렇게 해서 태드로는 포식자-피식자 세계에 던져진다.
5장 몸에 새겨진 지능에서 저자는 우리의 고정관념을 깨트린다. 초기 척추동물의 조상을 모형화한 태드로는 멋들어지게 생긴 로봇은 아니다. 바가지 같은 머리에 눈 역할을 하는 센서 하나, 빛의 세기와 꼬리 움직임을 담당하는 작은 마이크로컨트롤러, 뻣뻣한 정도를 바꿀 수 있는 꼬리로 이루어진, 어찌 보면 장난감 같은 로봇이다. 뇌 같은 건 없다. 그런데 이 대단찮은 로봇이 스스로 먹이를 쫓고, 경쟁하고, 진화했다.
저자는 여기서 ‘지능’에 대해서 다시 생각해보길 제안한다. 그리고 ‘체화된 뇌’라는, 다소 생경한 개념을 소개한다. 몸에도 지능이 있다! 아니, 몸만 있어도 지능을 발휘한다. 언뜻 상상이 가지 않지만, 저자는 평범한 우리의
해양생물학자가 쓴 로봇공학 책이라면 좀 수상쩍게 들리겠지만, 《다윈의 물고기》는 전혀 그렇지 않다. 존 롱은 멸종 척추동물의 진화라는 경이롭고도 방대한 세계로 우리를 데려간다. 롱의 연구가 혁신적인 것은 전산생물학에서 으레 쓰는 소프트웨어 시뮬레이션이 아니라 물리적으로 체화된 로봇을 모형으로 활용하고, 이를 적극적으로 옹호하기 때문이다. 이 책을 읽으면서 그의 수다에 여러 번 웃음을 터뜨렸다. 하지만 가벼움 아래에는 생체모방학에 대한 확고하고도 강력한 논증이 깔려 있다. 탄탄하고 단도직입적인 책이다. 《다윈의 물고기》 덕에 생체모방학이 한 걸음 더 나아갔다. 한 가지 더, 이 책에서는 과학적 서술과 유머 사이사이로 과학철학의 보석이 교묘하게 숨겨진 채 빛을 발한다. ― 《네이처》

존 롱이 솜씨 좋은 이야기꾼이기는 하지만, 이 책은 단순한 물고기 이야기가 아니다. … 그는 로봇이 생물의 물리적 모형이 될 수 있고, 진화하는 생물로봇에서 생물의 진화에 대한 실마리를 얻을 수 있으며, 로봇의 상호작용으로 (포식자와 피식자 같은) 공진화의 역학을 이해할 수 있음을 보여준다. 《다윈의 물고기》는 과학이 언제나 모험이며 신기술이 우리를 미지의 세계로 더 빨리, 더 멀리 데려간다는 사실을 일깨운다. ― 《뉴 사이언티스트》

존 롱이 올챙이 로봇 태드로를 설계하고 실험하는 과정은 흥미진진할 뿐 아니라 수준 높은 과학을 이해하는 남다른 통찰을 담고 있다. … 예상치 못한 실험결과를 해석하는 과정에서 롱은 유쾌한 유머감각과 더불어 과학적 발견과 우아한 진화 메커니즘에 대한 경외감과 열정을 보여준다. 본격 과학서를 읽는 독자들에게 이 책은 기술과 생물학의 만남을 탐구하는 매혹적인 여행이 될 것이다. ― 《퍼블리셔스 위클리》

실험실에서든 부엌에서든 무언가를 만들어보면 그것이 어떻게 작동하는지에 대해 이해가 넓어진다. 이 책에서 존 롱은 헤엄치는 로봇을 만들어 헤엄치는 물고기의 진화를 더욱 잘 이해하게 된 이야기를 들려준다. 그의 모형은 먹이를 찾거나 먹이가 되지 않는 능력에 자연선택 과정이 작용하는 방식을 고스란히 구현한다. 이 책은 좌충우돌하는 진짜 세상에서의 과학에 대한 개인적 기록이다. 늘 깔끔하지는 않지만, 해보면 매우 중독성 있고 읽어보면 매혹적인 일, 바로 우리 실험과학자들이 하는 일에 대한 책이다.
― 스티븐 보겔Steven Vogel(듀크대학 제임스 B. 듀크 석좌교수)

존 롱의 매혹적인 책 《다윈의 물고기》에서 로봇은 우리의 과거, 현재, 미래를 열어주는 열쇠를 가지고 있다. 롱은 생물학과 공학의 경계에서 흥미진진한 과학이야기를 들려주며 과학연구가 어떻게 이루어지는지, 새로운 아이디어가 어떻게 탄생하는지, 뜻밖의 장소에서 어떻게 우리 자신에 대한 통찰이 생길 수 있는지 보여준다.
― 닐 슈빈Neil Shubin(시카고대학, 《내 안의 물고기》 저자)

저는 생물학자입니다. 로봇을 연구하죠.
내가 하는 연구를 이런 식으로 사람들에게 설명하려고 할 때마다 난감했다. 오랜 친구이자 동료에게 미국 국립과학재단에서 로봇 제작으로 생물학 연구비를 받았다는 말을 꺼냈더니, 그 친구가 내 말을 가로막고 물었다. “로봇이 생물학과 무슨 상관이야?”
나는 이 질문을 피할 길이 없음을 똑똑히 알고 있었다. 내 지도학생이나 나 자신이 우리의 새롭고 신기한 연구를 생물학자들에게 소개할 때마다 이 질문이 맨 먼저 터져나올 터였다.
-12쪽

나는 살아 있는 진짜 물고기를 좋아하고, 20여 년의 연구를 통해 물고기의 형태와 구조가 어떠한지, 물고기가 어떻게 움직이는지, 어떻게 진화했는지에 대해 많은 것을 알아냈다. 하지만 진짜 물고기가 자신의 비밀을 전부 보여주지는 않는다. 어떤 연구방법을 동원해도 관찰하고 측정할 수 있느냐 없느냐에 따라 제약을 받을 수밖에 없다. 장비나 기술이 없을 때도 있다. 연구에 알맞은 물고기가 없을 때도 있다. -20쪽

내 생각에, 예리한 관찰자 다윈은 우리의 진화하는 로봇을 흥미롭게 관찰했을 것이다. 이 로봇을 통해 우리는 ‘선택’이 지배적일 때 진화가 어떤 식으로 일어나는지, 또 그 밖의 진화 메커니즘이 지배적일 때 진화가 어떤 식으로 일어나는지를 보여줄 수 있다. 로봇을 이용하면 진화과정, 그러니까 자율적 행위자가 환경과 인과적으로 상호작용하는 것을 언제 어디서나 실시간으로 직접 관찰할 수 있다. 말하자면 지구상에서 가장 위대한 경기인 생명경기를 관전할 수 있다는 것이다. -43쪽

“이해하면 만들 수 있다.”
이것은 엔지니어의 비밀코드다. 어찌나 비밀스러운지 이게 정말인지도 확신하지 못하겠다. 어떤 엔지니어도 엔지니어 아닌 내게 이 말을 해주지 않았지만, 추측건대 이것은 모든 자격시험의 마지막 문제이자 엔지니어들이 악수하면서 남몰래 귓속말로 주고받는 비밀일 것이다.
입 밖에 내지는 않더라도 이들이 하는 것을 보면 분명히 알 수 있다. 나는 이 비밀을 스스로 알아냈고, 오랫동안 로봇을 만들면서 직접 써먹은 적도 많다. 엔지니어들은 자신의 장치가 무슨 일을 해야 하는지 결정한 뒤에, 그러니까 이해한 뒤에 장치를 만든다. 내가 이런 사고방식에 진저리를 친 것은 당연하다. 정반대로 생각하고 작업하고 있었으니까. -68쪽

“꾸준한 오해의 힘이 크도다.”
다윈이 언급한 것은 많은 과학자가 선택의 힘을 과대평가하여 그 밖의 진화 메커니즘을 무시한 탓에 모든 두개골 융기와 지문을 적응의 결과라고 생각했다는 점이다(무작위가 작용한 경우에도 말이다). 다윈은 유전학에 대해 우리만큼은 몰랐기에 이 오해를 반박할 확고한 증거가 거의 없었다. 공교롭게도 유전학은 다윈과 동시대 사람인 그레고어 멘델이 발전시켰으나 이름 없는 학술지에 발표되는 바람에 20세기 초까지 알려지지 않았다. 물론 지금의 유전학 지식에 따르면 무작위 유전적 변화는 생식세포 계열과 그 밖의 세포 둘 다에서 항상 일어난다. 짝짓기 동안에는 무작위가 더 많이 작용할 수 있다. 결코 무작위가 아닌 짝짓기도 있지만, 많은 생물의 짝짓기는 무작위다. -109쪽

우리가 태드로3에 선택압을 적용하자 이들은 다음 세대에서 부모보다 똑똑해지고 섭이행동에 능숙하게 진화했다. 하지만 태드로3 개체군은 뇌가 아니라 몸을 진화시킴으로써 똑똑해졌다. 인공적인 수중세계에서 어떻게 태드로가, 아니 어떤 로봇이 똑똑해질 수 있겠는가? 설령 지능을 얻는다 해도 지능이 어떻게 뇌가 아니라 몸에 있을 수 있겠는가? 지능이 있는 곳은 뇌 아닌가? 어쨌든 우리가 탐구하는 동안 태드로3의 뇌는 어디에 있고 무엇을 하는가?
-136쪽

포식이 왜 그토록 강한 선택압인지는 누구나 안다. 죽으면 좆 되니까. 여기서 여러분에게 인사드릴 죽음을 앞둔 존재는 앞 장에서 먹거나 도망치는 진화봇으로 소개한 먹잇감 태드로4다. 태드로4는 태드로3와 비교하면 다른 종류의 물고기다. 가장 중요한 변화는 태드로4와 새로운 세계가 어떤 대상(먹잇감 대 포식자 세계에 놓인 척추동물)을 모형화하는가다. 태드로4는 먹되 잡아먹히지 않기 위해 새로운 신경계와 새로운 몸을 얻었다. 이를 위해 우리는 먹잇감 태드로4를 추적하고 쫓아다닐 수 있는 포식자를 설계하고 만들어야 했다. -182쪽

미국에서 국방 관련 생체모방 로봇에 지원되는 연방자금이 이렇게 많은 걸 보면, 다른 나라에서 로봇전쟁 계획을 세우고 있다 해도 놀랄 일이 아닐 것이다. 하지만 이 정도일 줄은 몰랐다. 조지아공과대학 공학 교수이자 저명한 로봇공학자인 론 아킨에 따르면 56개국이 로봇무기를 개발하고 있다고 한다. 불편한 진실을 하나 고백하자면, 아킨이 로봇 전쟁에 대한 자신의 책에서 수중 로봇을 언급하지는 않았지만, 나 또한 적어도 간접적으로는 군을 위해 일하고 있다. -287쪽

그리하여 군사로봇 제작의 마지막 단계는 전장에서 진화하며 로봇 자식을 낳도록 하는 것이리라. 로봇은 시시각각 혼란스러운 역동적 상황에 반응하며 뇌와 몸을 진화시켜 장기적 임무를 수행할 것이다. 군사 진화봇 개체군에서는 전투 지휘관이 작성하는 적합도 함수를 이용해 전장환경으로부터 피드백을 받고 이에 따라 진화적 적응이 일어날 것이다. 적합도 함수는 표적 감지율, 표적 적중률, 생존률, 강인함, 손상을 입고도 작전을 계속할 수 있는 능력 등의 성과에 보상할 것이다. -299쪽

 

한국어판 저자 서문
CHAPTER 1 왜 하필 로봇이지?
물고기가 좋아서 | 현장에서 실험실로 | 청새치는 등뼈를 어떻게 사용할까? | 물고기에 미친 과학자는 무슨 일을 할까? | 만들 수 있으면 이해한 것이다 | 도대체 로봇이 생물학과 무슨 관계인 거지?
CHAPTER 2 진화라는 생명경기
간단한 경기규칙 | 개체는 선택되지만 진화하지는 않는다 | 생명경기는 단체경기 | 차이를 만드는 방법 | 진화적 변화를 어떻게 측정할까? | 로봇이 진화한다
CHAPTER 3 진화봇을 만들자
반드시 이름부터 지어준다 | 표상을 위한 설계 | 설계질문 1: 어느 동물을 왜 모형화할 것인가? | 설계질문 2: 그 동물의 어떤 성질을 왜 진화봇에 심을 것인가? | 설계질문 3: 그 동물의 세계에서 어떤 성질을 왜 모형화할 것인가? | 설계질문 4: 어떤 선택압을 왜 적용할 것인가? | 설계질문 5: 진화봇과 세계는 (하나로 어우러져) 그 동물과 세계를 어떻게 표상하는가? | 설계질문 6: 진화봇이 대상 동물의 훌륭한 모형인지 아닌지는 어떻게 판단할 것인가? | 코드에 키스를
CHAPTER 4 생명경기장에 들어선 로봇 물고기
로봇 진화를 위해 모인 열성적 과학자들 | 예상과 다르다? | 진화를 일으키는 세 번째 메커니즘, 내력 | 유전학으로 보는 구조경직도 | 우리를 좌절시킨 구조경직도 | 우연한 발견 | 로봇 물고기 태드로는 무엇을 알려줬나? | 수수께끼는 풀지 못했다
CHAPTER 5 몸에 새겨진 지능
지능이란 무엇인가? | 태드로는 요령을 안다 | 태드로3는 ‘체화된뇌’를 가지고 있다 | 뇌는 컴퓨터일까? | 뇌의 기초를 다시 살펴보자 | 기본적 감각·운동계로서의 신경회로 | 똑똑한 몸이 있는데 뇌가 왜 필요하지? | 물리적 몸을 가진 행위자 | 잡아먹되 잡아먹히지 말기
CHAPTER 6 포식자와 피식자 세계의 진화하는 로봇
우선 태드로3의 문제부터 되돌아보자 | 그럼 디지털 시뮬레이션도 해보자 | 이제 진짜로 만들어보자 | 아! 척추골이 있어야지! | 척추동물의 형질들은 독자적으로 진화할까? 맞물려 진화할까? | 태드로4, 정말 근사한 가설 삼총사를 검증해내다 | 이제 잠자리에 들 시간
CHAPTER 7 진화 트레커, 진화의 방향을 탐색하는 로봇
지도 위에 펼쳐진 진화경관 | 조합의 폭발을 넘어서 | 과거로 향하는 로봇 | 로봇의 지느러미발 만들기 | 지느러미발은 두 개가 나을까? 네 개가 나을까? | 진화 트레커, 마들렌 로봇 | 또다른 진화 트레커
CHAPTER 8 안녕히, 그리고 로봇 물고기는 고마웠어요
전세계의 로봇 물고기들 | 전쟁을 위한 생체공학 물고기 | 전쟁을 좋아했던 소년 | 전쟁 공부는 이제 그만 | 군을 위한, 진화하는 로봇 | 로봇에 지휘의도를 심을 수 있을까? | 진화봇은 양심이 필요하다 | 닫는말과 여는말-복고미래주의
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