[논문 리뷰] A Review of 40 Years of Cognitive Architecture Research: Core Cognitive Abilities and Practical Applications

Iuliia Kotseruba, John K. Tsotsos|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 27.

Cognitive Science and Mapping참고 문헌 485인용 수 53

한 줄 요약

이 논문은 인지 아키텍처 연구의 40년에 걸친 종합적 리뷰를 제시하며, 인지 능력의 핵심 영역인 지각, 주의, 기억, 학습, 추론, 행동 선택 등에 대해 분석한 84개의 아키텍처(중 49개는 현재도 개발 중)를 다룬다. 900개 이상의 실용적 응용 사례를 종합하고, 시각화를 통해 주요 추세를 파악하며, 향후 인지 과학과 인공지능 발전을 이끌기 위해 미흡하게 연구된 기계적 메커니즘 요소를 도출한다.

ABSTRACT

In this paper we present a broad overview of the last 40 years of research on cognitive architectures. Although the number of existing architectures is nearing several hundred, most of the existing surveys do not reflect this growth and focus on a handful of well-established architectures. Thus, in this survey we wanted to shift the focus towards a more inclusive and high-level overview of the research on cognitive architectures. Our final set of 84 architectures includes 49 that are still actively developed, and borrow from a diverse set of disciplines, spanning areas from psychoanalysis to neuroscience. To keep the length of this paper within reasonable limits we discuss only the core cognitive abilities, such as perception, attention mechanisms, action selection, memory, learning and reasoning. In order to assess the breadth of practical applications of cognitive architectures we gathered information on over 900 practical projects implemented using the cognitive architectures in our list. We use various visualization techniques to highlight overall trends in the development of the field. In addition to summarizing the current state-of-the-art in the cognitive architecture research, this survey describes a variety of methods and ideas that have been tried and their relative success in modeling human cognitive abilities, as well as which aspects of cognitive behavior need more research with respect to their mechanistic counterparts and thus can further inform how cognitive science might progress.

연구 동기 및 목표

• 지난 40년간의 인지 아키텍처 연구에 대해 광범위하고 포괄적인 개요를 제공함으로써, 몇몇 주요 아키텍처에만 국한된 좁은 범위의 리뷰를 넘어서고자 한다.
• 지각, 주의, 기억, 학습, 추론, 행동 선택과 같은 핵심 인지 능력이 다양한 아키텍처들 사이에서 어떻게 작동하는지 식별하고 분석하고자 한다.
• 인지 아키텍처의 실용적 응용을 맵핑하고 평가하며, 900개 이상의 구현된 프로젝트에서 수집한 데이터를 종합하여 실제 세계 영향력과 추세를 드러내고자 한다.
• 현재 아키텍처에서 미흡하게 모델링되거나 충분히 기계화되지 않은 인간 인지의 요소를 도출하여 향후 인지 과학과 인공지능 발전을 이끌 수 있도록 하고자 한다.
• 시각화 기법을 활용하여 인지 아키텍처 연구의 진화와 다양성을 시각적으로 표현하고, 신경과학에서 심리분석에 이르기까지 다양한 분야의 상호 영향력을 강조하고자 한다.

제안 방법

• 신경과학, 심리학, 인공지능 등 다양한 분야에서 유래한 84개의 인지 아키텍처를 체계적으로 수집하고 정제하였으며, 특히 현재도 활발히 개발 중인 아키텍처에 중점을 두었다.
• 핵심 인지 능력의 구현 방식에 따라 아키텍처를 분류하였으며, 표준화된 프레임워크를 사용해 다양한 시스템 간의 메커니즘을 비교할 수 있도록 하였다.
• 조사한 아키텍처를 활용한 900개 이상의 실용적 프로젝트에 대한 데이터를 수집하고 분석하여, 적용 분야, 사용 사례, 구현 환경 등을 추출하였다.
• 시각화 기법을 적용하여 아키텍처 개발의 거시적 추세를 파악하였으며, 주요 초점 이동, 다학제적 통합, 기술적 도입 등의 경향을 확인하였다.
• 인간의 인지 기능을 모델링하는 다양한 접근 방식의 상대적 성공 여부를 평가하였으며, 기계적 정밀도와 확장성 측면에서 평가하였다.
• 개방형 연구 과제에 대한 통찰을 종합하였으며, 특히 생물학적으로 타당한 메커니즘을 사용해 복잡한 인지 행동을 모델링하는 데 있어의 과제를 중심으로 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지난 40년간 인지 아키텍처 연구에서 지배적인 핵심 인지 능력은 무엇이며, 이는 다양한 시스템 간에 어떻게 다름이 있는가?
• RQ2 설계 원칙, 다학제적 영향력, 실용적 구현 측면에서 인지 아키텍처는 시간이 지남에 따라 어떻게 진화해 왔는가?
• RQ3 인지 아키텍처를 활용한 실제 응용의 범위와 다양성은 어떠한가? 어떤 분야에서 가장 높은 수준의 도입이 이루어졌는가?
• RQ4 현재 아키텍처에서 여전히 미흡하게 모델링되거나 충분히 기계화되지 않은 인간 인지의 요소는 무엇이며, 그 이유는 무엇인가?
• RQ5 인지 아키텍처의 연구 결과 통합은 향후 인지 과학과 인공지능 분야의 발전을 어떻게 이끌 수 있는가?

주요 결과

• 조사에서 84개의 인지 아키텍처를 식별하였으며, 그 중 49개는 여전히 활발히 개발 중이어서 이 분야에 대한 지속적이고 증가하는 연구 관심을 보여준다.
• 지각, 주의, 기억, 학습, 추론, 행동 선택은 아키텍처 전반에서 가장 일관되게 다뤄지는 핵심 인지 능력이다.
• 900개 이상의 실용적 응용 사례가 종합되었으며, 이는 로봇공학, 교육, 헬스케어, 인간-컴퓨터 상호작용 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있음을 시사한다.
• 데이터의 시각화를 통해 신경과학 기반 메커니즘의 통합 비율 증가와 실시간 및 상호작용 시스템에서 아키텍처의 활용 증가 경향이 드러났다.
• 진전이 있었음에도 불구하고, 고차원적 추론, 정서 처리, 사회 인지 기능을 위한 메커니즘은 여전히 미흡하며 향후 연구가 필요하다.
• 이 분야는 심리분석, 신경과학, 인지심리학, 인공지능 등 다양한 분야에서 기반을 두고 있지만, 통합된 이론적 프레임워크는 아직 부족하다.