Bionika, az élő rendszerek bizonyos tulajdonságaival rendelkező mesterséges rendszerek építésének tudománya. A bionika nem speciális tudomány, hanem tudományközi diszciplína; a kibernetikához hasonlítható. A bionikát és a kibernetikát ugyanannak az éremnek a két oldalának nevezik. Mindkettő az élő rendszerek modelljeit használja, a bionika azért, hogy új ötleteket találjon hasznos mesterséges gépekhez és rendszerekhez, a kibernetika pedig azért, hogy magyarázatot keressen az élőlények viselkedésére.

A bionika így különbözik a biomérnöki tudománytól (vagy biotechnológiától), amely az élőlények felhasználását jelenti bizonyos ipari feladatok elvégzésére, mint például élesztőgombák tenyésztése kőolajon élelmiszerfehérjék előállítására, a fémek alacsony minőségű ércekből történő koncentrálására képes mikroorganizmusok használata, és a hulladékok baktériumok általi megemésztése biokémiai akkumulátorokban az elektromos energiaellátás érdekében.

A természet utánzása régi ötlet. Az évszázadok során számos feltaláló modellezett gépeket állatokról. A természetről való másolásnak határozott előnyei vannak. A Földön jelenleg élő élőlények többsége kétmilliárd éves evolúció terméke, és az élőlényekéhez hasonló környezetben működő gépek megépítése profitálhat ebből a hatalmas tapasztalatból. Bár a legegyszerűbbnek a természet közvetlen utánzása tűnhet, ez gyakran nehéz, ha nem lehetetlen, többek között a méretkülönbség miatt. A bionikai kutatók úgy találták, hogy előnyösebb megérteni azokat az elveket, amelyek alapján a dolgok a természetben miért működnek, mint rabszolgamód másolni a részleteket.

A következő lépés a természetből való általános inspiráció keresése. Az élőlények több szempontból is tanulmányozhatók. Az állati izom hatékony mechanikus motor; a napenergiát a növények csaknem 100 százalékos hatékonysággal tárolják kémiai formában; az információátvitel az idegrendszeren belül bonyolultabb, mint a legnagyobb telefonközpontok; az emberi agy problémamegoldása messze meghaladja a legerősebb szuperszámítógépek kapacitását. Ezek jól példázzák a bionikai kutatások két fő területét – az információfeldolgozást és az energia átalakítását és tárolását.

Az élő szervezetek információs hálózatának általános mintázata a következő: a környezeti érzékeléseket az érzékszervek fogadják, majd jelekké kódolják, amelyeket az idegek továbbítanak az agy feldolgozó és memorizáló központjaiba. A Crotalinae alcsaládba (ide tartoznak a csörgőkígyók) tartozó gödörviperáknak például hőérzékelő mechanizmusuk van, amely az orrlyukak és a szemek közötti gödörben található. Ez a szerv olyan érzékeny, hogy néhány méter távolságból is képes felismerni egy egeret. Bár léteznek ennél sokkal érzékenyebb mesterséges infravörös érzékelők, a bionika mégis profitálhat a viperák tanulmányozásából. Először is érdekes és potenciálisan értékes lenne megérteni a csörgőkígyó infravörös gödrében zajló energiaátalakítás elvét, valamint azt a folyamatot, amellyel az idegek erősítő mechanizmus hiányában stimulálódnak. Egy másik szemléletes példa a selyemlepke, a Bombyx mori szagérzékelő szerve. A hím már néhány molekula mennyiségben is képes érzékelni a nőstény által kiválasztott vegyi anyagot.

Egy olyan vezetőben, mint például egy telefonvezeték, a jel a vezeték mentén haladva gyengül, és erősítőknek kell elhelyezniük bizonyos időközönként, hogy felerősítsék azt. Az állati idegtengely esetében ez nem így van: az érzékszervekből kibocsátott idegi impulzus nem gyengül az axonon végighaladva. Ez az impulzus csak egy irányban haladhat. Ezek a tulajdonságok teszik az idegaxont képessé a logikai műveletekre. 1960-ban kifejlesztettek egy félvezető eszközt, a neurisztort, amely képes a jelet egy irányban, gyengülés nélkül továbbítani, és képes numerikus és logikai műveletek elvégzésére. A neurisztoros számítógép, amelyet egy természetes modell ihletett, utánozza a természetes idegi információs hálózatok dinamikus viselkedését; az egyes áramkörök az idegrendszerhez hasonlóan egymás után különböző műveletekre szolgálhatnak.

A bionika számára érdekes kérdés az is, hogy egy élő rendszer hogyan használja fel az információt. Változó körülmények között az emberek alternatív cselekvési lehetőségeket mérlegelnek. Minden helyzet valamilyen módon hasonlít egy korábban megtapasztalt helyzetre. A “mintafelismerés”, amely az emberi cselekvés fontos eleme, hatással van a bionikára. A mintafelismerő tulajdonságokkal rendelkező mesterséges gép tervezésének egyik módja a tanulási folyamatok alkalmazása. Egy ilyen gép kísérleti változatait már kifejlesztették; ezek a gépek úgy tanulnak, hogy a lehetséges alternatív útvonalak nagy száma közötti kapcsolatokat hoznak létre és módosítják az útvonalak hálójában. Ez a tanulás azonban még mindig kezdetleges és messze nem emberi.

Az első lényeges különbség a létező elektronikus számítógépek és az emberi agy között abban rejlik, ahogyan a memóriájuk szerveződik. Akár az élőlények, akár a gépek memóriájában a fő probléma az egyszer már elraktározott információ visszakeresése. A számítógépek által használt módszert “címzésnek” nevezik. A számítógép memóriája egy nagy, galambdobozokból álló állványhoz hasonlítható, amelyek mindegyikéhez egy adott szám vagy cím (hely) tartozik. Egy bizonyos információt akkor lehet megtalálni, ha a cím – vagyis a galambdoboz száma – ismert. Az emberi memória egészen másképp működik, az adatok asszociációját használja. Az információ visszakeresése a tartalma szerint történik, nem pedig egy mesterségesen hozzáadott külső cím alapján. Ez a különbség minőségi és mennyiségi is. Az ember által készített memóriaeszközöket ma már asszociatív elvek alapján építik, és ezen a területen nagy lehetőségek rejlenek.

A második fő különbség az elektronikus számítógépek és az emberi agy között az információ kezelésének módjában rejlik. A számítógép pontos adatokat dolgoz fel. Az emberek homályos adatokat fogadnak el, és olyan műveleteket végeznek, amelyek nem szigorúan szigorúak. Emellett a számítógépek csak nagyon egyszerű elemi műveleteket végeznek, összetett eredményeket úgy állítanak elő, hogy ilyen egyszerű műveletek nagy számát hajtják végre nagyon nagy sebességgel. Ezzel szemben az emberi agy alacsony sebességgel, de nem egymás után, hanem párhuzamosan hajtja végre a műveleteket, több egyidejű, összehasonlítható eredményt produkálva (lásd még mesterséges intelligencia).

Az élővilágban az energia kémiai vegyületek formájában tárolódik; felhasználását mindig kémiai reakciók kísérik. A napenergiát a növények bonyolult kémiai folyamatok segítségével tárolják. Az izommozgás energiája kémiai változásokból származik. Az olyan élő szervezetek, mint a gombák, az izzóférgek és bizonyos halak által termelt fény kémiai eredetű. Az energiaátalakítás minden esetben figyelemre méltóan hatékony a hőmotorokhoz képest.

Kezdődik annak megértése, hogy ezek az átalakulások hogyan mennek végbe az élő anyagban, és milyen összetett szerepet játszanak az élő membránok. Talán a molekulák bonyolultságából és törékenységéből adódó korlátok egy részét le lehet küzdeni az ember alkotta mesterséges energiagépekben, és jobb eredményeket lehet elérni, mint a természetes membránokban.