개미 vs 인간의 퍼즐 대결! 과연 그 승자는?! 개미의 집단지성은 과연 인간을 능가할 수 있을까?! [항성의 우주속으로 - 개미의 집단지성 연구]

개미들이 벽을 따라서 꽤 긴 거리를 아주 미끄러지듯이 이동을 했습니다 지금 이렇게 문제를 푸는 거 보이시죠 반면에 작은 집단의 경우 벽과 부딪히면 속도가 크게 떨어졌고 다시 움직이기 시작할 때는 전혀 다른 방향으로 움직이는 경향도 보였습니다 개미들이 이거보다 더 큰 집단으로 이동을 할 때와는 약간은 다른 모습을 볼 수가 있었는데요 단독 개미에 같은 경우에는 더 재미있습니다 [음악] 안녕하세요 인사할 시간만 있습니다 항성이 우주 속으로의 항성 2025년 세계가 밝았습니다 지난 1년간 저희 안될 과학을 사랑해 주신 많은 분들께 다시 한번 감사의 말씀을 드리면서 올 한해도 과학이 차갑고 어려운게 아니라 즐겁고 재미있는 것이 많다는 것을 알려 드리도록 최선을 다해서 노력하도록 하겠습니다 오늘은 개미의 집단 지성이 인간과 비교를 해 봤을 때 어느 정도 수준에 있는지 직접적으로 비교를 해보 매우 재미 있는 논문이 있어서 여러분께 소개를 해 드리고자 합니다 오늘 소개해 드릴 논문이 바로이 논문인데 개미와 인간의 집단 문제 해결 능력을 비교한 연구입니다 왜이 연구가 특별한지 차근차근 하나씩 설명해 드리도록 하겠습니다 먼저 우리가 평소에 집단 지성이라는 말을 많이 쓰기는 하지만 실제로 이것을 과학적으로 연구하기 매우 어렵습니다 예를 들어서 뇌를 구성하는 하나의 뉴런과 뇌 전체의 능력을 비교하는 건 의미가 없겠죠 규모가 다르면 직면하는 문제도 완전히 다르기 때문입니다 그런데 연구진들이 아주 영리한 방법을 찾아냈습니다 바로 물체 운반이 과제였습니다 이게 정말 특별한 과제인데 왜냐하면 크기만 다르지 본질적으로 같은 과제를 만들 수 있고 개인과 집단 모두에게 적용할 수 있고 자연계에서 이걸 잘하는 건 인간과 아주 극소수의 개미 뿐이기 때문입니다 그럼 지금부터 연구진이 어떤 퍼즐을 설계를 했고 어떻게 실험을 했는지 자세히 살펴보도록 하겠습니다 연구진이 설계한 퍼즐은 정말 흥미로운데요 세 개의 방이 있는 직사각형 공간을 만들고이 방들은 두 개의 좁은 통로로 연결이 되어 있습니다 여기에 티자 모양의 물체를 왼쪽 첫 번째 방에서 출발해서 가운데 방을 거쳐서 오른쪽 마지막 방까지 옮기는 것이 과제입니다 퍼즐을 풀기 위해서는이 티자 물체를 여러 번 회전하고 이동시켜야 하는데요 마치 피아노로 좁은 복도에서 이리저리 돌려가면서 옮기는 것과 비슷하다고 보시면 됩니다 연구진들은 이런 최적의 경로를 초록색 화살표로 표시를 했는데요이 퍼즐의 재미있는 점은 개미하테물리는 별로 도움이 되지를 않습니다이 실험에서는 페로몬으로 물체의 크기나 회전 같은 정보를 전달하기가 어렵거든요 인간들에게는 정확한 길이 측정이라는 머릿속으로 회전을 한다든지 대칭을 한다든지 이런 이해가 필요해서 꽤 까다롭습니다 사실 개미의 페로몬 통신 시스템은 매우 복잡 복잡하고 정교하지만 주로 다음과 같은 정보를 전달을 할 수가 있거든요 둥지의 위치라든가 먹이의 위치라든가 위험 지역을 표시한다는 아니면은 내가 살고 있는 곳에 영역을 표시한다는 이제와 같은 기본적인 위치 정보라든가 아니면 먹이의 존재 여부 위험 신호 또는 뭐 같은 집단인지 확인하는 군집 구성원의 여부 여왕 개미의 존재 표시와 같은 상태 정보 그리고 먹기까지 a 경로라는 둥지까지 경로라는 다른 개미들이 많이 다닌 길과 같은 이동 경로 같은 정보를 페로몬을 이용을 해서 공유를 합니다 하지만이 연구의 맥락에서 가장 중요한 점은 페로몬으로 전달하기 어려운 정보들입니다 예를 들어 물체 크기의 형태라는 회전 방향이나 각도 공간적 제약의 조건이라는 3차원적 구조라든가 이런 정보들은 페로몬으로 전달하기 어려운 정보들이 있죠 즉이 실험에서 개미들은 이쪽이 둥지 방향이다 아는 기본적인 방향 정보는 전달을 할 수 있기는 하겠지만이 티자형 물체를 45도 회전해야 한다 이런 복잡한 기하학적 정보는 페로몬으로 전달을 할 수가 없습니다 이것이 바로이 퍼즐이 개미들에게 특별한 도전이 되는 이유인데요 실험은 다양한 규모로 진행이 되었습니다 개미의 경우에는 작은 퍼즐 혼자 또는 평균 일곱 마리의 소규모 그룹 아니면은 평균 80마리의 대규모 그룹으로 큰 퍼즐을 푸는 이런 식으로 실험이 진행이 됐고요 인간의 경우에는 혼자서 해결을 하든지 아니면 중간 그룹으로 해결을 하든지 아니면은 아주 많 많은 그룹으로 나누어서 진행을 했습니다 특히 재미있는 건 연구진이 개미의 운반 방식을 인간 실험에도 그대로 적용을 했다는 점입니다 개미들은 물체에 달라붙어서 당기기만 하거든요 그래서 인간 참가자들도 각자 손잡이를 배정을 받아서 오직 당기기만 할 수 있게 만들었습니다 그룹 그리고 말도 못 하고 제스처도 못 하는 그룹 그래서 마스크하고 선글라스까지 착용을 했습니다 이렇게함으로써 정말 순수하게 협력이라는 요소만 비교를 할 수 있게 된 거죠 특히 의사 소통이 제한된 인간 그룹은 개미처럼 오직 물체를 통해 전달되는 힘으로만 소통을 해야 했으니까 정말 흥미로운 비교가 가능했습니다 이런 실험 설계는 단순해 보이기는 하지만 사실 매우 정교하거나 크기로 만들어서 서로 다른 종의 문제 해결 능력을 비교할 수 있게 만들었기 때문이죠 이제이 실험에서 어떤 결과가 나왔는지 한번 살펴보도록 하겠습니다 가장 먼저 연구지는 물체의 움직임을 세 가지 요소로 측정을 했는데요 여기 보시면 x 좌표 있죠이 x 좌표는 좌우의 위치 그리고 y 좌표는 상화의 위치 그다음에요 세타이 각도는이자 물체를 회전을 하는 각도입니다 특히 재미있는 점은 회전을 측정하는 방법인데요 물체가 회전할 때 가장자리에 있는 개미나 사람은 훨씬 더 중심에 있는 개체들 다 더 많은 거리를 이동을 하게 됩니다 그래서 연구진은 물체의 가장자리에 평균 거래를 계산을 해서 회전 거래를 측정을 했습니다 그리고 서로 다른 크기의 퍼즐을 비교하기 위해서 모든 거리를이 두 번째 방의 폭으로 나누어서 표준화 했습니다 마치 키가 다른 사람들의 보폭을 이렇게 비교를 할 때 보면은 각자의 키로 나누어서 비교하는 거라고 보시면은 될 것 같아요 이제 개미들이 어떻게 퍼즐을 해결을 했는지 자세히 한번 살펴보도록 하겠습니다 먼저 개미 집단의 경우 크기에 따라서 완전히 다른 행동이 관찰이 되었습니다 지금 보고 계시는 경우에는 아주 큰 집단인 80마리 이상의 경우인데요 벽과 부딪혀도 멈추거나 이렇게 막 물러나지 않았습니다 그리고 속도라는 방향이 거의 변하지 않았고 개미들이 벽을 따라서 꽤 긴 거리를 아주 미끄러지듯이 이동을 했습니다이 지금 이렇게 문제를 푸는 거 보 보이시죠 반면에 인간의 경우에는 자유로운 의사 소통이 가능한 그룹에서는 움직이기 전에 보통 수십초간 대화를 나눴습니다 그런데 아까 선글라스도 끼고 마스크도 쓰고 이렇게 의사 소통이 제한된 그룹은 1초도 안 돼서 움직이기 시작했고 한번 움직임이 시작되면 모든 구성원들이 그 방향으로 움직이는 방향으로 힘을 가했고 이것은 의사 소통이 제한된 그룹이 일종의 일회성 다수결 방식으로 의사 결정을 했음을 시사를 합니다 반면에 에 작은 집단의 경우 벽과 부딪히면 속도가 크게 떨어졌고 다시 움직이기 시작할 때는 전혀 다른 방향으로 움직이는 경향도 보였습니다 벽을 따라 이동하는 거리도 훨씬 짧았습니다 개미들이 이거보다 더 큰 집단으로 이동을 할 때와는 약간은 다른 모습을 볼 수가 있었는데요 단독 개미에 같은 경우에는 더 재미있습니다 지금 보시는 것처럼이 개미 한 마리가이 티자 모형의 물체를 움직이고 있는데 보시면은 되게 자주 물 체에서 떨어져 나갔다가 한참 있다가 다시 돌아오고 그렇게 하고 있습니다 이건 거의 열 배속 이상으로 지금 배속 재생을 한 건데요이 과정에서 움직임의 방향이 계산을 할 수 있는 방향이 아니라 완전히 움직임의 방향이 랜덤에 있습니다 아까 우리 대규모 그다음에 중규모 그다음에 소규모로 한 마리 또는 두 마리가 이렇게 이동을 할 때는 완전히 다른 패턴을 보이게 됐는데 연구진은 이런 행동을 더 자세하게 이해하기 위해서 컴퓨터 시뮬레이션도 만들었는데요 개미들의 행동 규칙은 놀랍도록 단순했습니다 새로 물체에 붙은 개미는 처음 10초 동안은 정보를 가진 리더 역할을 하면서 둥지 방향으로 당깁니다 그 후에는 정보가 없는 팔로워들이 있겠죠 팔로워 개미들이 어 물체 움직임을 따라갑니다 그리고 팔로워 개미들은 자신이 붙어 있는 지점에서 물체가 움직이는 방향으로 이렇게 당겨요 그래서 집단이 클수록이 정렬 효과가 훨씬 더 강해집니다 이러한 단순한 규칙들로 인해서 큰 집단에서는 물체가 계속 움직이면서 개미들 사이에 협력을 강화를 하지만 이렇게 작은 집단 아니면은 단순히 소규모로 있는 집단에서는 속도가 아주 자주 떨어지면서 협력이 점점 약화되는 현상이 나타났습니다 가장 놀라운 점은 이렇게 단순한 규칙만 그도 실제 개미들이 복잡한 행동을 하고 있는 것을 거의 완벽하게 설명을 할 수가 있었다는 거죠 개별 개미들은 전체 퍼즐을 이해를 하지를 못했지만 이런 단순한 규칙들이 모여서 집단 수준에 놀라운 문제 해결 능력을 만들어 낸 겁니다 이거 마치 어떤 거냐면 우리가 축구 경기 같은 거를 볼 때 각각의 선수들은 단순히 공을 받으면 앞으로 전진을 하고 수비수는 상대를 막고 이런 기본 규칙을 하잖아요 그렇지만 팀 전체로는 아주 복잡하고 아름다운 전략과 같은 플레이가 만들어지는 것과 아주 비슷하다고 볼 수가 있겠습니다이 그림은 개미의 실험 장면인데 왼쪽은 단독 개미가 퍼즐을 해결하려고 시도하는 모습이고이 오른쪽은 대규모 개미 집단의 모습입니다 물체의 위치는 아까도 말씀드렸듯이 x 좌표 y 좌표와 회전 각으로 추적을 하고 있고요 작은 사진에서는 실제로 물체를 운반하는 개미들을 확대를 해서 보여 줍니다 그래서 이렇게 1cm 바 8cm 바 스케일 바가 표시가 되어 있어서 실제 크기를 우리가 알 수가 있습니다 다음은 인간의 실험 장면인데요 왼쪽은 혼자서 퍼즐을 해결을 하려고 시도를 하는 모습이고 오른쪽은 대규모로 인간이이 문제를 풀려고 시도를 를 하는 모습입니다 1.5m 하고 6m a 스케일 바로 실제 크기를 표시를 했고요 실험에 사용된 빨간색이 강조된 티자형 물체가 상당히 잘 보이는 거 우리가 확인을 할 수가 있습니다 그 다음으로는 아까 보여 드렸던 퍼즐에 가능한 상태들 있데요 퍼즐 공간을 여덟 개의 a h 까지로 구분 했고이 실선은 실제로 연결된 상태들 있니다이 점선은 기하학적으로 인접해 있지만 실제로는 연결 되어 있는 상태가 아닙니다 뭔가를 중간에 작업을 해야지만 그다음 단계로 갈 수 있다는 뜻이죠 그리고이 초록색 화살표는이 단계에서 다음 단계로 가기 위한 최적의 경로를 표시를 한 겁니다 그래서이 초록색으로 따라가면 최적으로 문제를 해결을 할 수가 있다라는 것을 보여 줍니다 그리고 그다음으로 이건 뭐냐면은 3차원의 설정 공간의 표현의 모습인데요이 왼쪽은 회전각이 2파이 또는 0 이거 둘 다 같은 상황이죠 그상 상태의 평면의 모습입니다이 평면의 모습을 위에서 본 모습이라고 생각을 하시면은 되는데요 오른쪽은 이제 옆에서 봤을 때 전체 3차원 공간에서 최적의 해결 경로를 요렇게 검은 손으로 표시를 한 겁니다 각 영역에 빨간색이고 보라색이고 초록색이고 요렇게 표시된 것들이 있죠이 색깔은 무슨 색이냐 그은이 시에서 표시된 상태들 일치를 한다고 보시면 됩니다이 그림의 가장 중요한 점은 뭐냐면은 같은 퍼즐을 완전히 다른 크기로 만들어서 태 적용을 했다는 겁니다 지금이 모습은 바로 개미가 움직인 모습이고이 퍼즐의 모든 가능한 상태를 체계적으로이 색깔로 분류하고 분석을 했다는 것입니다 이런 체계적인 실험 설계 덕분에 서로 다른 종인 인간과 개미가 집단 크기의 문제 해결 능력을 정확하게 비교할 수 있었다는 점이 정말 인상적입니다이 그림은 성공률 비교 그래프를 보여 주는 건데이 그림은 a 아고 B 이렇게 두 개의 그래프로 되어 있습니다 각각 다른 관점에서 성공률을 보여 주고 있는데요이 첫 번째 그래프는 얼마나 효율적으로 이동을 했나 있니다 그래서 가로축은 이동한 거리를 보여 주고요 세로축은 성공한 실험의 비율입니다이 보라색선 같은 경우에는 아주 대규모로 개미들이 한 개미 그룹이고 실선은 실제 실험 그다음에 점선은 컴퓨터 시뮬레이션을 보여줍니다 그리고 주황색 선은 중규모 개미 그룹 대규모 그룹보다는 훨씬 낮은 성공률을 보여주고 있고 더 긴 거리를 움직여야만 성공을 했다는 것을 보여주고 빨간색은 단독 개미 매우 낮은 성공률을 보여주고 있죠 그다음에 데이터가 많지가 않은 이유는이 개미들이 사회성을 가진 동물이다 보니까 자꾸 동료를 부르러가 버려서 데이터가 그렇게 많지는 않다고 합니다 그리고이 검은색과 초록색 파란색 요거는 인간 그룹들을 보여 주는 건데 전반적으로 개미들과 비교를 했을 때 훨씬 나은 성과를 보여 준다고 우리가 확인을 할 수가 있습니다 하지만요요 일부 구간에서는 개미들 하고 겹치는 그룹도 우리가 확인을 할 수가 있습니다 특히 주목할 점은 뭐냐면은이 왼쪽에이 수직 점선은 이론적으로 최소 거리를 나타냅니다 이건 여기에도 나타나 있죠 이보다는 짧게는 불가능해요 벽을 통과하지 않는한 가장 짧은 거리를 이동을 하는 것을 표시를 합니다 그래서 인간과 개미의 성능이 겹치는 구간이 있다는 거는 정말 놀랍습니다 그리고이 두 번째 그래프는 뭐냐면은 얼마나 많은 시도가 필요를 했나 그래서 가로축은 시도를 한 횟수라고 보시면 되고 이 세로축은 성공률이 보시면 됩니다 여기서는 인간 그룹만 비교를 했는데요 검은색은 혼자서 해결을 한 거고 초록색 같은 경우에는 선글라스하면 의사 소통이 제한된 그룹이고 이요 분홍색은 의사 소통이 가장 자유로운 그룹이었습니다이 의사 소통이 제한된 그룹에서 성공률도 가장 낮았는데 분홍색 같은 경우에는 자유로운 의사 소통을 하면은 개인과 비슷하거나 약간 더 나은 성과를 보여주고 있습니다이 그래프가 특별히 중요한 이유는 더 많은게 항상 더 좋은 건 아니다라는 걸 보여 주기 때문입니다 개미는 숫자가 많을수록 더 잘했지만 인간은 솔직히 꼭 그렇지는 않았어요 특히 의사 소통이 제한되면 오히려 더 많은 사람이 문제가 될 수 있다는 점이 정말 흥미로운 지점이 아닌가 생각을 합니다 제가이 영상을 올리기 전에 쓰레드에 영상을 맛보기로 한번 보여 드린 적이 있었어요 그런데이 질문이 있었습니다이 개미가 티자 막대에 관심을 갖는 이유가 뭐냐이 티자 막대를 참치로 만든 고양이 사료 에 절여 놨다고 합니다 그러니까 이게 먹이로 착각을 하고 이동을 하려고 하는 거죠 그다음에 개미의 페로몬 소통하고 인간에 제한된 의사 소통인데 개미한테 유리하게 세팅이 된 건 아니냐라는 질문도 있었습니다 이게이 페로몬으로 소통을 할 수 없는 그런 문제 해결을 할 수 있도록 퍼즐을 내서 페로몬이 아닌 다른 방식으로 그러니까 집단지성으로 어떻게 문제 해결을 하는지를 확인을 한데 의가 있기 때문에이 점에 있어서는 그래도 어느 정도는 는 객관성이 확보된게 아닌가라고 저는 생각을 합니다 사실이 논문은 자연이 만든 두 가지 다른 전략을 보여 주고 있거든요 개미 같은 경우에는 단순하지만 확장성이 아주 좋은 시스템을 보여 주고요 인간과 같은 경우에는 아주 복잡하지만 의사 소통이 필요한 시스템을 보여 주고 있습니다 이게 마치 컴퓨터하고 인간의 차이하 비슷한데 컴퓨터는 단순한 계산은 빠르고 정확하게 하지만 창의적인 문제 해결은 인간이 훨씬 더 뛰어나게 하고 있죠 각자의 장단점이 있는 거예요이 연구는 협력적 로봇을 만드는이 로봇 그룹 설계에서도 아주 중요한 시사점을 제공을 합니다 왜 수많은 사회성 동물 중에서 개의하고 인간만이 협력적 운반해 뛰어난 모습을 보이는 걸까 이것을 이해하는데도 도움을 줄 수 있는 연구였고 나중에 인공지능이라는 로봇 공학 분야에서도 이러한 통찰이 아주 유용하게 활용이 될 수 있을 것으로 기대를 하고 있습니다네 이렇게 오늘 항성의 우주 속으로 오늘은 개미와 인간의 집단 지성을 비교를 한 논문에 대해서 다루 보았는데 인데요 2025년도는 작년보다 훨씬 더 재미있고 유익한 내용으로 작년보다 훨씬 더 자주 찾아뵙도록 하겠습니다 지금까지 인사할 시간만 있는 항성의 우주 속으로의 항성이 있습니다 감사합니다 안녕