Bionique, science de la construction de systèmes artificiels qui ont certaines des caractéristiques des systèmes vivants. La bionique n’est pas une science spécialisée mais une discipline interscientifique ; elle peut être comparée à la cybernétique. La bionique et la cybernétique ont été appelées les deux faces d’une même pièce. Toutes deux utilisent des modèles de systèmes vivants, la bionique afin de trouver de nouvelles idées de machines et de systèmes artificiels utiles, la cybernétique pour chercher l’explication du comportement des êtres vivants.

La bionique se distingue donc de la bio-ingénierie (ou biotechnologie), qui est l’utilisation d’êtres vivants pour effectuer certaines tâches industrielles, comme la culture de levures sur du pétrole pour fournir des protéines alimentaires, l’utilisation de micro-organismes capables de concentrer des métaux à partir de minerais à faible teneur, et la digestion de déchets par des bactéries dans des batteries biochimiques pour fournir de l’énergie électrique.

Le mimétisme de la nature est une vieille idée. De nombreux inventeurs ont modelé des machines d’après des animaux au cours des siècles. Copier de la nature a des avantages distincts. La plupart des créatures vivantes actuellement sur la Terre sont le produit de deux milliards d’années d’évolution, et la construction de machines pour travailler dans un environnement ressemblant à celui des créatures vivantes peut profiter de cette énorme expérience. Bien que l’on puisse penser que la voie la plus facile est l’imitation directe de la nature, cela est souvent difficile, voire impossible, entre autres en raison de la différence d’échelle. Les chercheurs en bionique ont découvert qu’il est plus avantageux de comprendre les principes du fonctionnement des choses dans la nature que de copier servilement les détails.

L’étape suivante est la recherche généralisée d’inspiration dans la nature. Les êtres vivants peuvent être étudiés de plusieurs points de vue. Le muscle animal est un moteur mécanique efficace ; l’énergie solaire est stockée sous une forme chimique par les plantes avec une efficacité de presque 100 % ; la transmission de l’information au sein du système nerveux est plus complexe que les plus grands centraux téléphoniques ; la résolution de problèmes par un cerveau humain dépasse de loin la capacité des superordinateurs les plus puissants. Ces exemples illustrent les deux principaux domaines de la recherche en bionique – le traitement de l’information et la transformation et le stockage de l’énergie.

Le schéma général du réseau d’information des organismes vivants est le suivant : les sensations de l’environnement sont reçues par les organes des sens, puis codées en signaux qui sont transmis par les nerfs aux centres de traitement et de mémorisation du cerveau. Les vipères de la sous-famille des Crotalinae (qui comprend les crotales), par exemple, possèdent un mécanisme de détection de la chaleur situé dans une fosse entre les narines et les yeux. Cet organe est si sensible qu’il peut détecter une souris à quelques mètres de distance. Bien qu’il existe des détecteurs infrarouges artificiels beaucoup plus sensibles, l’étude des vipères peut néanmoins profiter à la bionique. Tout d’abord, il serait intéressant et potentiellement utile de comprendre le principe de transformation de l’énergie qui se produit dans la fosse infrarouge du crotale, ainsi que le processus par lequel les nerfs sont stimulés en l’absence de mécanisme amplificateur. Un autre exemple frappant est l’organe de détection des odeurs du papillon de la soie, Bombyx mori. Le mâle peut détecter la substance chimique sécrétée par la femelle en une quantité aussi petite que quelques molécules.

Dans un conducteur tel qu’un fil téléphonique, le signal est atténué au fur et à mesure qu’il se déplace le long du fil, et des amplificateurs doivent être placés à intervalles pour le renforcer. Ce n’est pas le cas de l’axone du nerf animal : l’impulsion neuronale issue des organes des sens ne s’affaiblit pas en voyageant le long de l’axone. Cet influx ne peut se déplacer que dans une seule direction. Ces propriétés rendent l’axone nerveux capable d’effectuer des opérations logiques. En 1960, on a imaginé un dispositif à semi-conducteurs appelé neuristor, capable de propager un signal dans une seule direction sans atténuation et capable d’effectuer des opérations numériques et logiques. L’ordinateur neuristor, inspiré d’un modèle naturel, imite le comportement dynamique des réseaux d’information neuronaux naturels ; chaque circuit peut servir séquentiellement à différentes opérations d’une manière similaire à celle du système nerveux.

Une autre question intéressant la bionique est de savoir comment un système vivant fait usage de l’information. Dans des circonstances changeantes, les humains évaluent les différentes possibilités d’action. Chaque situation ressemble d’une certaine manière à une situation vécue auparavant. La « reconnaissance des formes », un élément important de l’action humaine, a des implications pour la bionique. L’une des façons de concevoir une machine artificielle capable de reconnaître les formes est d’utiliser des processus d’apprentissage. Des versions expérimentales d’une telle machine ont été mises au point ; elles apprennent en établissant et en modifiant les connexions entre un grand nombre d’itinéraires alternatifs possibles dans un réseau de voies. Cet apprentissage, cependant, est encore rudimentaire et loin d’être humain.

La première différence essentielle entre les ordinateurs électroniques existants et le cerveau humain réside dans la façon dont leurs mémoires sont organisées. Que ce soit dans la mémoire d’un être vivant ou dans celle d’une machine, le principal problème réside dans la récupération des informations une fois qu’elles ont été stockées. La méthode utilisée par les ordinateurs est appelée « adressage ». La mémoire d’un ordinateur peut être comparée à un grand casier de pigeonniers, chacun ayant un numéro ou une adresse (emplacement) particulière. Il est possible de trouver une information donnée si l’adresse – c’est-à-dire le numéro du casier – est connue. La mémoire humaine fonctionne d’une manière très différente, par association de données. L’information est retrouvée en fonction de son contenu, et non en fonction d’une adresse externe ajoutée artificiellement. Cette différence est aussi bien qualitative que quantitative. Les dispositifs de mémoire fabriqués par l’homme sont maintenant construits en utilisant des principes associatifs, et il y a un grand potentiel dans ce domaine.

La deuxième différence principale entre les ordinateurs électroniques et le cerveau humain réside dans la manière de traiter l’information. Un ordinateur traite des données précises. L’homme accepte des données floues et effectue des opérations qui ne sont pas strictement rigoureuses. De plus, les ordinateurs n’effectuent que des opérations élémentaires très simples, produisant des résultats complexes en effectuant un grand nombre de ces opérations simples à très grande vitesse. En revanche, le cerveau humain effectue des opérations à faible vitesse mais en parallèle plutôt qu’en séquence, produisant plusieurs résultats simultanés qui peuvent être comparés (voir aussi intelligence artificielle).

Dans le monde vivant, l’énergie est stockée sous forme de composés chimiques ; son utilisation s’accompagne toujours de réactions chimiques. L’énergie solaire est stockée par les plantes au moyen de processus chimiques complexes. L’énergie du mouvement musculaire est dérivée de changements chimiques. La lumière produite par des organismes vivants tels que les champignons, les vers luisants et certains poissons est d’origine chimique. Dans chaque cas, la transformation de l’énergie est remarquablement efficace par rapport aux moteurs thermiques.

On commence à comprendre comment ces transformations ont lieu dans la matière vivante et la nature du rôle complexe joué par les membranes vivantes. Peut-être certaines des limites de la complexité et de la fragilité moléculaires pourraient-elles être surmontées dans les machines à énergie artificielle fabriquées par l’homme et de meilleurs résultats obtenus que dans les membranes naturelles.