진화하는 다중 세계: 집단 기반 학습을 통한 페트리 접시 뉴럴 셀룰러 오토마타(PD-NCA)에서 개방형 발견으로 향하여

Evolving Many Worlds: Towards Open-Ended Discovery in Petri Dish NCA via Population-Based Training

국지적인 상호작용으로부터 지속적이고 개방적인 복잡성을 생성하는 것은 인공 생명 분야의 근본적인 과제입니다. 페트리 접시 뉴럴 셀룰러 오토마타(PD-NCA)와 같은 미분 가능한 다중 에이전트 시스템은 순전히 공간적 경쟁에 의해 유도되는 풍부한 자기 조직화를 나타냅니다. 그러나 이러한 시스템은 하이퍼파라미터에 매우 민감하며, 종종 균형 상태가 고정되거나 구조가 없는 노이즈와 같은 흥미롭지 않은 패턴과 동역학으로 붕괴되는 경향이 있습니다. 본 논문에서는 PBT-NCA라는 메타-진화 알고리즘을 소개합니다. PBT-NCA는 PD-NCA 집단을 진화시키며, 이 과정에서 과거의 행동적 새로움과 현재의 시각적 다양성을 모두 보상하는 복합적인 목표 함수를 사용합니다. 이러한 지속적인 진화적 압력에 의해 PBT-NCA는 다양한 생명체와 유사한 현상을 광범위하게 생성하며, 이는 진정한 개방형 시스템의 특징입니다. 주목할 만한 점은, 이 시스템이 자율적으로 다양한 형태의 생존 및 자기 조직화 전략을 발견한다는 것입니다. 우리는 매우 규칙적이고 조정된 주기적인 파동, 균일한 그룹이 세포와 유사한 클러스터를 방출하여 멀리 떨어진 영역을 식민지화하는 포자-와 같은 산란 현상, 그리고 기체와 같이 형태가 변하는 거대 구조가 기판 위를 이동하며, 매우 활동적인 내부를 둘러싼 안정적인 외부 경계를 유지하는 것을 관찰했습니다. PBT-NCA는 단일 문화와 정지 상태를 적극적으로 억제함으로써, 전역적으로 정돈되거나 전역적으로 무작위적이지 않은 효과적인 복잡성 상태를 유지하며, 지속적으로 "혼돈의 경계"에서 작동합니다.

The generation of sustained, open-ended complexity from local interactions remains a fundamental challenge in artificial life. Differentiable multi-agent systems, such as Petri Dish Neural Cellular Automata (PD-NCA), exhibit rich self-organization driven purely by spatial competition; however, they are highly sensitive to hyperparameters and frequently collapse into uninteresting patterns and dynamics, such as frozen equilibria or structureless noise. In this paper, we introduce PBT-NCA, a meta-evolutionary algorithm that evolves a population of PD-NCAs subject to a composite objective that rewards both historical behavioral novelty and contemporary visual diversity. Driven by this continuous evolutionary pressure, PBT-NCA spontaneously generates a plethora of emergent lifelike phenomena over extended horizons-a hallmark of true open-endedness. Strikingly, the substrate autonomously discovers diverse morphological survival and self-organization strategies. We observe highly regular, coordinated periodic waves; spore-like scattering where homogeneous groups eject cell-like clusters to colonize distant territories; and fluid, shape-shifting macro-structures that migrate across the substrate, maintaining stable outer boundaries that enclose highly active interiors. By actively penalizing monocultures and dead states, PBT-NCA sustains a state of effective complexity that is neither globally ordered nor globally random, operating persistently at the "edge of chaos".