Bionik, Wissenschaft von der Konstruktion künstlicher Systeme, die einige der Eigenschaften lebender Systeme besitzen. Die Bionik ist keine spezialisierte Wissenschaft, sondern eine interwissenschaftliche Disziplin; sie kann mit der Kybernetik verglichen werden. Bionik und Kybernetik werden als die zwei Seiten derselben Medaille bezeichnet. Beide verwenden Modelle von lebenden Systemen, die Bionik, um neue Ideen für nützliche künstliche Maschinen und Systeme zu finden, die Kybernetik, um das Verhalten von Lebewesen zu erklären.

Die Bionik unterscheidet sich somit vom Bioengineering (oder der Biotechnologie), das die Verwendung von Lebewesen zur Erfüllung bestimmter industrieller Aufgaben ist, wie z. B. die Kultivierung von Hefen auf Erdöl zur Gewinnung von Nahrungsproteinen, die Verwendung von Mikroorganismen, die in der Lage sind, Metalle aus minderwertigen Erzen zu konzentrieren, und die Verdauung von Abfällen durch Bakterien in biochemischen Batterien zur Lieferung elektrischer Energie.

Die Nachahmung der Natur ist eine alte Idee. Viele Erfinder haben im Laufe der Jahrhunderte Maschinen nach dem Vorbild von Tieren gebaut. Von der Natur abzuschauen hat deutliche Vorteile. Die meisten Lebewesen, die heute auf der Erde leben, sind das Produkt von zwei Milliarden Jahren Evolution, und die Konstruktion von Maschinen, die in einer Umgebung arbeiten, die der von Lebewesen ähnelt, kann von dieser enormen Erfahrung profitieren. Auch wenn der einfachste Weg die direkte Nachahmung der Natur sein sollte, ist dies oft schwierig, wenn nicht gar unmöglich, unter anderem wegen der unterschiedlichen Größenverhältnisse. Bioniker haben festgestellt, dass es vorteilhafter ist, die Prinzipien zu verstehen, warum Dinge in der Natur funktionieren, als sklavisch Details zu kopieren.

Der nächste Schritt ist die allgemeine Suche nach Inspiration durch die Natur. Lebewesen können unter verschiedenen Gesichtspunkten untersucht werden. Der tierische Muskel ist ein effizienter mechanischer Motor; Sonnenenergie wird von Pflanzen mit fast 100-prozentiger Effizienz in chemischer Form gespeichert; die Informationsübertragung innerhalb des Nervensystems ist komplexer als die größten Telefonzentralen; die Problemlösung durch ein menschliches Gehirn übertrifft bei weitem die Kapazität der leistungsfähigsten Supercomputer. Dies sind Beispiele für die beiden Hauptbereiche der Bionik-Forschung – Informationsverarbeitung und Energieumwandlung und -speicherung.

Das allgemeine Muster des Informationsnetzwerks lebender Organismen ist das folgende: Umweltsensationen werden von den Sinnesorganen empfangen und dann in Signale kodiert, die von Nerven zu den Verarbeitungs- und Speicherzentren des Gehirns übertragen werden. Grubenottern der Unterfamilie Crotalinae (zu der auch die Klapperschlangen gehören) verfügen beispielsweise über einen Wärmesensor, der sich in einer Grube zwischen Nasenlöchern und Augen befindet. Dieses Organ ist so empfindlich, dass es eine Maus in einigen Metern Entfernung erkennen kann. Obwohl es bereits wesentlich empfindlichere, von Menschen hergestellte Infrarotdetektoren gibt, kann die Bionik vom Studium der Vipern profitieren. Zum einen wäre es interessant und von potenziellem Wert, das Prinzip der Energieumwandlung in der Infrarotgrube der Klapperschlange sowie den Prozess zu verstehen, durch den die Nerven in Ermangelung eines Verstärkungsmechanismus stimuliert werden. Ein weiteres eindrucksvolles Beispiel ist das Geruchssinnesorgan des Seidenspinners, Bombyx mori. Das Männchen kann die vom Weibchen abgesonderte Chemikalie in einer Menge von nur wenigen Molekülen wahrnehmen.

In einem Leiter, wie z.B. einem Telefonkabel, wird das Signal auf seinem Weg entlang des Kabels abgeschwächt, und es müssen in Abständen Verstärker angebracht werden, um es zu verstärken. Dies ist beim tierischen Nervenaxon nicht der Fall: Der von den Sinnesorganen ausgehende Nervenimpuls wird auf dem Weg entlang des Axons nicht abgeschwächt. Dieser Impuls kann sich nur in eine Richtung bewegen. Dank dieser Eigenschaften ist das Nervenaxon zu logischen Operationen fähig. 1960 wurde ein Halbleiterbauelement, der so genannte Neuristor, entwickelt, der in der Lage ist, ein Signal in einer Richtung ohne Abschwächung weiterzuleiten und numerische und logische Operationen durchzuführen. Der Neuristor-Computer, der einem natürlichen Vorbild nachempfunden ist, ahmt das dynamische Verhalten natürlicher neuronaler Informationsnetze nach; jeder Schaltkreis kann nacheinander verschiedene Operationen ausführen, ähnlich wie das Nervensystem.

Eine weitere Frage, die die Bionik interessiert, ist, wie ein lebendes System Informationen nutzt. In wechselnden Situationen wägt der Mensch Handlungsalternativen ab. Jede Situation ähnelt irgendwie einer zuvor erlebten Situation. Die „Mustererkennung“, ein wichtiges Element des menschlichen Handelns, hat Auswirkungen auf die Bionik. Eine Möglichkeit, eine künstliche Maschine zu entwickeln, die in der Lage ist, Muster zu erkennen, besteht darin, Lernprozesse zu nutzen. Experimentelle Versionen einer solchen Maschine sind entwickelt worden; sie lernen, indem sie Verbindungen zwischen einer großen Anzahl möglicher alternativer Routen in einem Netz von Pfaden herstellen und verändern. Dieses Lernen ist jedoch noch rudimentär und weit entfernt von menschlichem Lernen.

Der erste wesentliche Unterschied zwischen den bestehenden elektronischen Computern und dem menschlichen Gehirn liegt in der Art und Weise, wie ihr Gedächtnis organisiert ist. Sowohl im Gedächtnis eines Lebewesens als auch in dem einer Maschine liegt das Hauptproblem darin, einmal gespeicherte Informationen wieder abzurufen. Die Methode, die Computer verwenden, wird „Adressierung“ genannt. Ein Computerspeicher kann mit einem großen Regal von Fächern verglichen werden, von denen jedes eine bestimmte Nummer oder Adresse (Ort) hat. Es ist möglich, eine bestimmte Information zu finden, wenn die Adresse, d. h. die Nummer des Fachs, bekannt ist. Das menschliche Gedächtnis arbeitet auf eine ganz andere Art und Weise, nämlich mit der Assoziation von Daten. Informationen werden nach ihrem Inhalt abgerufen, nicht nach einer künstlich hinzugefügten externen Adresse. Dieser Unterschied ist sowohl qualitativ als auch quantitativ. Von Menschen geschaffene Speichergeräte werden heute nach assoziativen Prinzipien konstruiert, und es gibt ein großes Potenzial in diesem Bereich.

Der zweite Hauptunterschied zwischen elektronischen Computern und dem menschlichen Gehirn liegt in der Art und Weise, wie die Informationen verarbeitet werden. Ein Computer verarbeitet präzise Daten. Der Mensch akzeptiert unscharfe Daten und führt Operationen durch, die nicht streng sind. Außerdem führen Computer nur sehr einfache elementare Operationen aus, wobei sie komplexe Ergebnisse erzielen, indem sie eine große Anzahl solcher einfachen Operationen mit sehr hoher Geschwindigkeit ausführen. Im Gegensatz dazu führt das menschliche Gehirn Operationen mit geringer Geschwindigkeit, aber parallel und nicht nacheinander durch, so dass mehrere Ergebnisse gleichzeitig erzielt werden, die miteinander verglichen werden können (siehe auch künstliche Intelligenz).

In der belebten Welt wird Energie in Form von chemischen Verbindungen gespeichert; ihre Nutzung ist immer mit chemischen Reaktionen verbunden. Die Sonnenenergie wird von Pflanzen durch komplexe chemische Prozesse gespeichert. Die Energie der Muskelbewegung wird aus chemischen Veränderungen abgeleitet. Das Licht, das von lebenden Organismen wie Pilzen, Glühwürmchen und bestimmten Fischen erzeugt wird, ist chemischen Ursprungs. In jedem Fall ist die Energieumwandlung im Vergleich zu Wärmekraftmaschinen bemerkenswert effizient.

Man beginnt zu verstehen, wie diese Umwandlungen in lebendem Material ablaufen und welche komplexe Rolle die lebenden Membranen spielen. Vielleicht können einige der Einschränkungen der molekularen Komplexität und Zerbrechlichkeit in künstlichen Energiemaschinen überwunden und bessere Ergebnisse als in natürlichen Membranen erzielt werden.