Bioniikka, tiede, jossa rakennetaan keinotekoisia systeemejä, joilla on joitakin elävien systeemien ominaisuuksia. Bioniikka ei ole erikoistunut tiede vaan tieteidenvälinen tieteenala; sitä voidaan verrata kybernetiikkaan. Bioniikkaa ja kybernetiikkaa on kutsuttu saman kolikon kahdeksi puoleksi. Molemmat käyttävät elävien järjestelmien malleja, bioniikka löytää uusia ideoita hyödyllisille keinotekoisille koneille ja järjestelmille ja kybernetiikka etsii selitystä elävien olentojen käyttäytymiselle.

Bioniikka eroaa siten biotekniikasta (tai bioteknologiasta), joka on elävien olentojen käyttämistä tiettyjen teollisten tehtävien suorittamiseen, kuten hiivojen viljeleminen maaöljyllä elintarvikeproteiinien tuottamiseksi, sellaisten mikro-organismien käyttäminen, jotka pystyvät konsentroimaan metalleja heikkolaatuisista malmeista, ja jätteiden mädättäminen bakteerien toimesta biokemiallisissa paristoissa sähköenergian tuottamiseksi.

Luonnon jäljittely on vanha ajatus. Monet keksijät ovat vuosisatojen kuluessa mallintaneet koneita eläinten mukaan. Luonnosta kopioimisella on selviä etuja. Suurin osa maapallolla nyt elävistä olennoista on kahden miljardin vuoden evoluution tulos, ja rakentamalla koneita, jotka toimivat elävien olentojen ympäristöä muistuttavassa ympäristössä, voidaan hyötyä tästä valtavasta kokemuksesta. Vaikka helpoimmaksi tavaksi saatetaan ajatella suoraa jäljittelyä luonnosta, se on usein vaikeaa tai jopa mahdotonta muun muassa mittakaavaeron vuoksi. Bioniikan tutkijat ovat havainneet, että on edullisempaa ymmärtää periaatteet siitä, miksi asiat toimivat luonnossa, kuin kopioida orjallisesti yksityiskohtia.

Seuraavana askeleena on yleistetty inspiraation etsiminen luonnosta. Eläviä olentoja voidaan tutkia useista eri näkökulmista. Eläinten lihakset ovat tehokas mekaaninen moottori; kasvit varastoivat aurinkoenergiaa kemialliseen muotoon lähes sataprosenttisella tehokkuudella; tiedonsiirto hermostossa on monimutkaisempaa kuin suurimmissa puhelinkeskuksissa; ihmisaivojen ongelmanratkaisu ylittää reilusti tehokkaimpien supertietokoneiden kapasiteetin. Nämä ovat esimerkkejä bioniikan tutkimuksen kahdesta pääalueesta – tiedonkäsittelystä sekä energian muuntamisesta ja varastoinnista.

Elävien organismien informaatioverkon yleinen malli on seuraava: Ympäristön aistimukset vastaanotetaan aistielimillä, minkä jälkeen ne koodataan signaaleiksi, jotka välittyvät hermojen välityksellä aivojen prosessointi- ja muistikeskuksiin. Esimerkiksi Crotalinae-alatyypin (johon kuuluvat kalkkarokäärmeet) kuoppakäärmeillä on lämpöä aistiva mekanismi, joka sijaitsee sieraimien ja silmien välissä olevassa kuopassa. Tämä elin on niin herkkä, että se voi havaita hiiren muutaman metrin etäisyydeltä. Vaikka on olemassa paljon herkempiä ihmisen valmistamia infrapuna-ilmaisimia, bioniikka voi silti hyötyä kyykäärmeiden tutkimisesta. Ensinnäkin olisi mielenkiintoista ja mahdollisesti arvokasta ymmärtää kalkkarokäärmeen infrapunakuopassa tapahtuvan energiamuunnoksen periaate sekä prosessi, jolla hermot stimuloituvat ilman vahvistavaa mekanismia. Toinen silmiinpistävä esimerkki on silkkiperhosen (Bombyx mori) hajuaistielin. Uros pystyy havaitsemaan naaraan erittämän kemikaalin niinkin pienenä määränä kuin muutamana molekyylinä.

Puhelinjohdon kaltaisessa johtimessa signaali vaimenee, kun se kulkee johtoa pitkin, ja sen vahvistamiseksi on sijoitettava vahvistimia välein. Näin ei ole eläinten hermoaksonissa: aistielimistä lähtevä hermoimpulssi ei heikkene kulkiessaan aksonia pitkin. Tämä impulssi voi kulkea vain yhteen suuntaan. Näiden ominaisuuksien ansiosta hermoaksoni kykenee loogisiin operaatioihin. Vuonna 1960 kehitettiin neuristoriksi kutsuttu puolijohdekomponentti, joka kykenee kuljettamaan signaalia yhteen suuntaan ilman vaimennusta ja joka pystyy suorittamaan numeerisia ja loogisia operaatioita. Luonnollisen mallin innoittamana neuristoritietokone jäljittelee luonnollisten hermostollisten tietoverkkojen dynaamista käyttäytymistä; kukin piiri voi palvella peräkkäin eri operaatioita hermoston tapaan.

Toinen bioniikan kannalta kiinnostava kysymys on se, miten elävä systeemi käyttää tietoa hyväkseen. Muuttuvissa olosuhteissa ihminen arvioi vaihtoehtoisia toimintatapoja. Jokainen tilanne muistuttaa jotenkin aiemmin koettua tilannetta. ”Hahmontunnistuksella”, joka on tärkeä osa ihmisen toimintaa, on vaikutuksia bioniikkaan. Yksi tapa suunnitella keinotekoinen kone, jolla on hahmontunnistusominaisuuksia, on käyttää oppimisprosesseja. Tällaisesta koneesta on kehitetty kokeellisia versioita; ne oppivat luomalla ja muuttamalla yhteyksiä suuren määrän mahdollisten vaihtoehtoisten reittien välillä polkujen verkossa. Tämä oppiminen on kuitenkin vielä alkeellista ja kaukana inhimillisestä.

Ensimmäinen olennainen ero nykyisten elektronisten tietokoneiden ja ihmisaivojen välillä on tavassa, jolla niiden muistit on järjestetty. Sekä elävän olennon että koneen muistissa suurin ongelma on tiedon hakeminen sen jälkeen, kun se on tallennettu. Tietokoneiden käyttämää menetelmää kutsutaan ”osoitteistamiseksi”. Tietokoneen muistia voidaan verrata suureen hyllyyn, jossa on useita lokeroita, joista jokaisella on tietty numero tai osoite (sijainti). Tietyn tiedon löytäminen on mahdollista, jos osoite eli lokeron numero on tiedossa. Ihmisen muisti toimii aivan eri tavalla, sillä se käyttää tietojen yhdistämistä. Tieto haetaan sen sisällön mukaan, ei keinotekoisesti lisätyn ulkoisen osoitteen mukaan. Tämä ero on sekä laadullinen että määrällinen. Ihmisen valmistamia muistilaitteita rakennetaan nykyään assosiatiivisia periaatteita käyttäen, ja tällä alalla on suuri potentiaali.

Toinen keskeinen ero elektronisten tietokoneiden ja ihmisaivojen välillä piilee tavassa käsitellä tietoa. Tietokone käsittelee tarkkaa tietoa. Ihmiset hyväksyvät epäselviä tietoja ja suorittavat operaatioita, jotka eivät ole ehdottoman tarkkoja. Lisäksi tietokoneet suorittavat vain hyvin yksinkertaisia alkeisoperaatioita ja tuottavat monimutkaisia tuloksia suorittamalla valtavan määrän tällaisia yksinkertaisia operaatioita hyvin suurella nopeudella. Sitä vastoin ihmisaivot suorittavat matalalla nopeudella, mutta rinnakkain eikä peräkkäin, tuottaen useita samanaikaisia tuloksia, joita voidaan verrata (ks. myös tekoäly).

Elävässä maailmassa energia on varastoituna kemiallisten yhdisteiden muodossa; sen käyttöön liittyy aina kemiallisia reaktioita. Kasvit varastoivat aurinkoenergiaa monimutkaisten kemiallisten prosessien avulla. Lihasliikkeen energia on peräisin kemiallisista muutoksista. Sienten, hehkumatojen ja tiettyjen kalojen kaltaisten elävien organismien tuottama valo on kemiallista alkuperää. Kaikissa tapauksissa energian muuntuminen on huomattavan tehokasta verrattuna lämpövoimakoneisiin.

Alkuaan ollaan ymmärtämässä, miten nämä muunnokset tapahtuvat elävässä aineessa ja millainen on elävien kalvojen monimutkainen rooli. Ehkä osa molekyylien monimutkaisuuden ja haurauden asettamista rajoituksista voitaisiin ylittää ihmisen valmistamissa keinotekoisissa energiakoneissa ja saavuttaa parempia tuloksia kuin luonnollisissa kalvoissa.