용어의 정의

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생명체가 종자를 번식하기 위해 혹은 자기 자신의 성장과 보수를 위해 생식세포나 체세포를 분열하여 똑같은 개체를 만들어 내듯이 나노 세계에서도 많은 수의 나노 장치를 싼 값으로 빠른 시간 내에 만들기 위해서는 어떤 식으로든 개체로부터 또 다른 개체가 합성되는 방식이 필요하다. 만일 나노 공장을 일반적인 공장의 축소판으로 생각하면 마치 자동차 공장에서 로봇팔이 자동차의 각 부품을 조립하듯이 조립자(assembler)라고 이름 붙여진 다목적 제조 장치가 원자 하나씩을 떼어서 분자 구조물에 붙이는 방식으로 나노 구조물을 제작하는 것을 상상할 수 있다. 이 경우에 1 몰의 나노 구조물을 만들기 위해서는 초당 109이라는 엄청난 속도로 조립한다 하더라도 1900만 년이 걸리게 된다. 나노 기계가 아무리 매혹적인 것이라 하더라도 거시적인 관점에서는 실용성이 매우 떨어지게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 제시된 것이 자기 복제의 개념이다. 만일 10억 개의 원자로 구성되어 있는 나노 기계가 앞에서의 경우와 마찬가지로 초당 109이라는 속도로 자신을 복제한다면 각각의 나노 기계가 자신을 복제하는 데는 단지 1초가 걸릴 뿐이다. 따라서 현실 세계에서 응용 가능한 물질을 이루는 데는 그다지 많은 시간이 필요하지 않게 된다. 이러한 개념에서 자기 복제는 오히려 나노 기계가 기하급수적으로 증가하여 재앙으로 초래될 가능성을 제기한다. 이것은 병원성 박테리아나 암 세포와 같은 자기 복제성 생체 시스템에서도 제기되는 문제이다.
폰 노이만은 일찍이 자기 복제 개념을 체계화하여 실제로 인공 생명의 가능성을 보여 주었다. 그에 따르면 자기 복제는 철저히 조절된 프로그램 하에서, 외부 환경과 상호 작용하면서 자기 자신을 복제할 재료를 수집하여 조립함으로써 자신과 같은 개체를 형성하고 이것을 분리시켜 독립된 개체로 활동하게 하며, 이 과정에서 자신이 한 일과 똑같은 일을 수행할 수 있는 명령이 전달된다. 각 개체는 단순한 군집을 형성하는 것이 아니라 정보의 교환, 혹은 돌연변이를 통해 서서히 진화하는 과정을 거쳐, 전체의 집합이 전혀 새로운 의미를 창출하게 된다. 이러한 일련의 과정은 생명체에서 벌어지는 생명 현상과 정확히 일치하며, 그는 생명체도 무한히 큰 저장 장치에 의해 프로그램된 대로 행동하는 자동 기계라고 인식하였다.
이러한 개념을 구체화하여 크리스토퍼 게일 랭턴은 생물이라고 간주되는 것과 동일한 수단을 이용해서 스스로를 재생산할 수 있는 단순한 형상을 만들어 냈다. loop라고 불리는 Q자 모양의 세포 자동자 고리는 표층 셀들과 재생산에 필요한 데이터를 지시하고 전달하는 핵심 셀로 구성된다. 셀들은 행동을 지시하는 규칙에 따라 꼬리가 부속기관이 되도록 성장하고 꺾어진다. 새롭게 형성된 loop의 외형이 어미를 닮게 되면 핵심층 속의 흐름이 표층 사이를 흘러서 새롭게 생긴 셀로 정보가 전달된다. 마지막으로 두 개의 loop는 분리가 이루어지고 새로운 정보는 신호를 내어 원래 어미 loop와 유사한 구성을 갖는 핵심층을 지니게 된다. 이 고리들은 이러한 하나의 유전 알고리즘으로부터 출발해서 집단을 형성하며, 이 집단은 단순한 군집이 아니라 자기 조직을 통하여 전혀 새로운 패턴을 창출하게 된다. 이와 같은 과정은 생명체가 자기 조직화하는 과정과 매우 흡사하며 자기 복제와 인공생명의 핵심적인 특성을 이룬다.