포식자 압력이 두려움과 사회적 보상의 진화를 어떻게 형성했는가

초록

본 연구는 진화적 강화학습 시뮬레이션을 통해 포식자와 피식자가 공동으로 보상 함수를 진화시키는 과정을 탐구한다. 포식자 사냥 능력이 강할수록 피식자는 포식자를 감지했을 때 부정적 시각 보상(두려움)이 크게 진화했으며, 식량 부족 상황에서는 집단 행동을 촉진하는 사회적 보상이 부정적으로 변했다. 정적 함정에서는 두려움이 나타나지 않아, 활발히 사냥하는 포식자가 두려움 진화의 핵심 요인임을 시사한다.

상세 분석

이 논문은 기존의 강화학습 기반 진화 모델에 포식‑피식 상호작용을 추가함으로써 두려움과 사회적 보상의 공동 진화를 정량적으로 분석한다. 시뮬레이션은 2차원 물리 엔진 위에 원형 에이전트를 배치하고, 피식자는 120° 시야 범위의 근접 센서를, 포식자는 40~80°의 사냥 범위를 가진 센서를 이용해 상대를 감지한다. 각 에이전트는 32개의 시각 근접 센서와 18개의 촉각 센서를 입력으로 받아, 64유닛 3계층 MLP를 통해 두 개의 모터 힘을 출력한다. 보상은 유전적으로 물려받은 가중치(w_eat, w_act, w_prey, w_pred)와 행동·감각 정보의 선형 결합으로 정의되며, 이 가중치는 돌연변이와 선택을 통해 진화한다.

에너지 기반 출생·사망 모델은 대사 비용(c_a, d_a 등)과 행동 비용을 고려해 에너지 수준을 업데이트하고, 에너지 임계값 이하이거나 연령·에너지에 기반한 위험 함수 h(t,e)에 의해 사망한다. 출생 확률 b(e)는 현재 에너지에 로지스틱 형태로 의존한다. 이러한 메커니즘은 개체군 규모와 세대 교체를 자연스럽게 조절해, 진화 압력이 지속적으로 작용하도록 만든다.

실험 결과는 크게 세 가지 현상을 드러낸다. 첫째, 포식자의 사냥 능력이 강화될수록 피식자는 w_pred(포식자 감지 보상)이 크게 음수로 진화했으며, 이는 두려움이 포식자 회피 행동을 강화한다는 가설을 뒷받침한다. 둘째, 식량 공급이 제한될 경우 w_prey(동료 감지 보상)가 음수로 변해, 개체가 사회적 군집을 회피하도록 진화한다. 이는 자원 경쟁이 심화될 때 군집 행동이 비용이 된다는 생태학적 이론과 일치한다. 셋째, 정적 함정(피해를 주는 비치명적 장애물)만 존재하는 환경에서는 w_pred이 거의 변하지 않아, 두려움이 단순한 위험 회피가 아니라, 움직이는 포식자에 대한 학습된 부정적 보상으로 특수하게 진화한다는 점을 보여준다.

또한, 시뮬레이션에서 종종 관찰된 비정상적 현상으로, 일부 실행에서는 피식자가 포식자를 긍정적으로 평가(w_pred > 0)하면서 동시에 w_prey가 크게 양수로 진화했다. 이는 사회적 보상이 개인의 포식자 회피 필요성을 대체하거나, 포식자와의 동반 행동이 군집 내 정보 공유를 촉진해 전체 적합도를 높이는 메커니즘으로 해석될 수 있다. 이러한 현상은 피식자 개체군 내에서 두 개의 뚜렷한 계통(phylogenetic groups)이 형성되는 것을 phylogenetic tree 분석을 통해 확인하였다.

전반적으로 이 연구는 포식자-피식자 상호작용이 두려움과 사회적 보상의 진화적 방향을 어떻게 동시에 조정하는지를 정량적으로 보여준다. 특히, 동적 포식자 압력이 두려움의 핵심 촉진 요인이라는 점과, 자원 제한이 사회적 보상의 부정적 변화를 유도한다는 점은 기존 이론을 실험적·계산적 모델로 뒷받침한다.