Bionik, videnskab om at konstruere kunstige systemer, der har nogle af de levende systemers egenskaber. Bionik er ikke en specialiseret videnskab, men en tværvidenskabelig disciplin; den kan sammenlignes med kybernetik. Bionik og kybernetik er blevet kaldt de to sider af den samme mønt. Begge bruger modeller af levende systemer, bionik for at finde nye ideer til nyttige kunstige maskiner og systemer, og kybernetik for at finde en forklaring på levende væseners adfærd.

Bionik adskiller sig således fra bioteknik (eller bioteknologi), som er brugen af levende væsener til at udføre visse industrielle opgaver, f.eks. dyrkning af gær på petroleum for at fremstille fødevareproteiner, brug af mikroorganismer, der er i stand til at koncentrere metaller fra lavkvalitetsmalme, og bakteriers fordøjelse af affald i biokemiske batterier for at levere elektrisk energi.

Mimikry af naturen er en gammel idé. Mange opfindere har gennem århundreder modelleret maskiner efter dyr. Kopiering efter naturen har klare fordele. De fleste levende væsener, der nu findes på jorden, er et produkt af to milliarder års udvikling, og ved at konstruere maskiner, der skal arbejde i et miljø, der ligner de levende væseners, kan man drage fordel af denne enorme erfaring. Selv om den nemmeste måde kan tænkes at være direkte efterligning af naturen, er dette ofte vanskeligt, hvis ikke umuligt, bl.a. på grund af forskellen i skala. Bionikforskere har fundet ud af, at det er mere fordelagtigt at forstå principperne for, hvorfor tingene fungerer i naturen, end slavisk at kopiere detaljer.

Det næste skridt er den generaliserede søgen efter inspiration fra naturen. Levende væsener kan studeres ud fra flere synsvinkler. Dyrs muskler er en effektiv mekanisk motor; solenergi lagres i kemisk form af planter med næsten 100 procents effektivitet; informationsoverførsel i nervesystemet er mere kompleks end de største telefoncentraler; problemløsning i en menneskehjerne overgår langt de mest kraftfulde supercomputeres kapacitet. Disse eksempler illustrerer de to hovedområder inden for bionikforskning – informationsbehandling og energiomdannelse og -lagring.

Det generelle mønster i de levende organismers informationsnetværk er følgende: Miljøfornemmelser modtages af sanseorganerne og kodes derefter til signaler, som overføres af nerverne til hjernens centre for behandling og hukommelse. Pit vipers i underfamilien Crotalinae (som omfatter klapperslanger) har f.eks. en varmefølelsesmekanisme, der er placeret i en grube mellem næsebor og øjne. Dette organ er så følsomt, at det kan registrere en mus på et par meters afstand. Selv om der findes langt mere følsomme, menneskeskabte infrarøde detektorer, kan bionikken stadig drage fordel af at studere hugorme. For det første ville det være interessant og potentielt værdifuldt at forstå princippet for den energitransformation, der finder sted i klapperslangens infrarøde pit, samt den proces, hvorved nerverne stimuleres i mangel af en forstærkende mekanisme. Et andet slående eksempel er lugtesansorganet hos silkemøl, Bombyx mori. Hannen kan registrere det kemiske stof, som hunnen udskiller, i en mængde så lille som nogle få molekyler.

I en leder som f.eks. en telefonledning bliver signalet svækket, mens det bevæger sig langs ledningen, og der må placeres forstærkere med mellemrum for at forstærke det. Dette er ikke tilfældet for dyrenes nerveaxon: den nerveimpuls, der udsendes fra sanseorganer, svækkes ikke, når den bevæger sig langs axonet. Denne impuls kan kun bevæge sig i én retning. Disse egenskaber gør nerveaxonet i stand til at udføre logiske operationer. I 1960 blev der udviklet en halvlederanordning kaldet en neuristor, som er i stand til at overføre et signal i én retning uden at blive svækket, og som er i stand til at udføre numeriske og logiske operationer. Neuristorcomputeren, der er inspireret af en naturlig model, efterligner den dynamiske adfærd i naturlige neurale informationsnetværk; hvert kredsløb kan fungere sekventielt til forskellige operationer på en måde, der ligner nervesystemets.

Et andet spørgsmål af interesse for bionikken er, hvordan et levende system gør brug af information. Under skiftende omstændigheder evaluerer mennesker alternative handlemuligheder. Enhver situation ligner på en eller anden måde en situation, der er oplevet tidligere. “Mønstergenkendelse”, som er et vigtigt element i menneskelig handling, har konsekvenser for bionikken. En måde at designe en kunstig maskine, der er i stand til at genkende mønstre, er at anvende indlæringsprocesser. Der er blevet udviklet eksperimentelle versioner af en sådan maskine; de lærer ved at etablere og ændre forbindelserne mellem et stort antal mulige alternative ruter i et net af veje. Denne indlæring er imidlertid stadig rudimentær og langt fra menneskelig.

Den første væsentlige forskel mellem de eksisterende elektroniske computere og den menneskelige hjerne ligger i den måde, hvorpå deres hukommelse er organiseret. Både i et levende væsens og i en maskines hukommelse ligger hovedproblemet i at genfinde informationerne, når de først er blevet lagret. Den metode, som computere anvender, kaldes “adressering”. En computerhukommelse kan sammenlignes med en stor reol af dueslag, som hver har et bestemt nummer eller en bestemt adresse (placering). Det er muligt at finde en bestemt oplysning, hvis adressen – dvs. nummeret på dueslaget – er kendt. Menneskets hukommelse fungerer på en helt anden måde, idet den benytter sig af en sammenstilling af data. Oplysningerne hentes ud fra deres indhold og ikke ud fra en ekstern adresse, der er tilføjet kunstigt. Denne forskel er både kvalitativ og kvantitativ. Menneskeskabte hukommelsesanordninger er nu konstrueret ved hjælp af associative principper, og der er et stort potentiale på dette område.

Den anden store forskel mellem elektroniske computere og den menneskelige hjerne ligger i den måde, hvorpå informationerne behandles. En computer behandler præcise data. Mennesker accepterer uskarpe data og udfører operationer, der ikke er strengt stringente. Desuden udfører computere kun meget enkle elementære operationer og producerer komplekse resultater ved at udføre et stort antal af sådanne enkle operationer med meget høj hastighed. I modsætning hertil udfører den menneskelige hjerne med lav hastighed, men parallelt i stedet for i rækkefølge, hvilket giver flere samtidige resultater, der kan sammenlignes (se også kunstig intelligens).

I den levende verden er energi lagret i form af kemiske forbindelser; brugen af den er altid ledsaget af kemiske reaktioner. Solenergi lagres af planter ved hjælp af komplekse kemiske processer. Energien i muskelbevægelser er afledt af kemiske ændringer. Det lys, der produceres af levende organismer som svampe, glødeorme og visse fisk, er af kemisk oprindelse. I alle tilfælde er energiomdannelsen bemærkelsesværdigt effektiv sammenlignet med termiske motorer.

Der er ved at blive gjort en begyndelse til at forstå, hvordan disse omdannelser finder sted i levende materiale, og arten af den komplekse rolle, som de levende membraner spiller. Måske kan nogle af begrænsningerne i form af molekylær kompleksitet og skrøbelighed overvindes i menneskeskabte kunstige energimaskiner, og der kan opnås bedre resultater end i naturlige membraner.