Bionica, scienza della costruzione di sistemi artificiali che hanno alcune delle caratteristiche dei sistemi viventi. La bionica non è una scienza specializzata ma una disciplina interscientifica; può essere paragonata alla cibernetica. La bionica e la cibernetica sono state chiamate le due facce della stessa medaglia. Entrambe usano modelli di sistemi viventi, la bionica per trovare nuove idee per macchine e sistemi artificiali utili, la cibernetica per cercare la spiegazione del comportamento degli esseri viventi.

La bionica è quindi distinta dalla bioingegneria (o biotecnologia), che è l’uso di esseri viventi per eseguire certi compiti industriali, come la coltura di lieviti sul petrolio per fornire proteine alimentari, l’uso di microrganismi capaci di concentrare metalli da minerali di bassa qualità, e la digestione di rifiuti da parte di batteri in batterie biochimiche per fornire energia elettrica.

Il mimetismo della natura è una vecchia idea. Molti inventori hanno modellato macchine dopo gli animali nel corso dei secoli. Copiare dalla natura ha vantaggi distinti. La maggior parte delle creature viventi ora sulla Terra sono il prodotto di due miliardi di anni di evoluzione, e la costruzione di macchine per lavorare in un ambiente simile a quello delle creature viventi può trarre vantaggio da questa enorme esperienza. Anche se si può pensare che il modo più semplice sia l’imitazione diretta della natura, questo è spesso difficile se non impossibile, tra le altre ragioni a causa della differenza di scala. I ricercatori di bionica hanno scoperto che è più vantaggioso capire i principi del perché le cose funzionano in natura che copiare pedissequamente i dettagli.

Il passo successivo è la ricerca generalizzata di ispirazione dalla natura. Gli esseri viventi possono essere studiati da diversi punti di vista. Il muscolo animale è un motore meccanico efficiente; l’energia solare è immagazzinata in forma chimica dalle piante con un’efficienza quasi del 100%; la trasmissione di informazioni all’interno del sistema nervoso è più complessa delle più grandi centrali telefoniche; la risoluzione dei problemi da parte di un cervello umano supera di gran lunga la capacità dei più potenti supercomputer. Questi esemplificano i due campi principali della ricerca bionica: l’elaborazione delle informazioni e la trasformazione e lo stoccaggio dell’energia.

Lo schema generale della rete informativa degli organismi viventi è il seguente: le sensazioni ambientali vengono ricevute dagli organi di senso e poi codificate in segnali che vengono trasmessi dai nervi ai centri di elaborazione e memorizzazione del cervello. Le vipere della sottofamiglia Crotalinae (che comprende i serpenti a sonagli), per esempio, hanno un meccanismo di rilevamento del calore situato in una fossa tra le narici e gli occhi. Questo organo è così sensibile che può rilevare un topo a qualche metro di distanza. Sebbene esistano rivelatori a infrarossi artificiali molto più sensibili, la bionica può comunque trarre profitto dallo studio delle vipere. In primo luogo, sarebbe interessante e di potenziale valore capire il principio di trasformazione dell’energia che avviene nella fossa infrarossa del serpente a sonagli, così come il processo con cui i nervi sono stimolati in assenza di un meccanismo di amplificazione. Un altro esempio sorprendente è l’organo di rilevamento degli odori della falena della seta, Bombyx mori. Il maschio può rilevare la sostanza chimica secreta dalla femmina in una quantità piccola come poche molecole.

In un conduttore come un filo del telefono, il segnale viene attenuato mentre viaggia lungo il filo, e gli amplificatori devono essere posti ad intervalli per rinforzarlo. Questo non è il caso dell’assone nervoso animale: l’impulso neurale emesso dagli organi di senso non si indebolisce nel percorrere l’assone. Questo impulso può viaggiare in una sola direzione. Queste proprietà rendono l’assone nervoso capace di operazioni logiche. Nel 1960 fu ideato un dispositivo a semiconduttore chiamato neuristor, capace di propagare un segnale in una sola direzione senza attenuazione e in grado di eseguire operazioni numeriche e logiche. Il computer neuristor, ispirato a un modello naturale, imita il comportamento dinamico delle reti naturali di informazione neurale; ogni circuito può servire in modo sequenziale per diverse operazioni in modo simile a quello del sistema nervoso.

Un’altra questione di interesse per la bionica è come un sistema vivente fa uso delle informazioni. In circostanze mutevoli, gli esseri umani valutano corsi d’azione alternativi. Ogni situazione assomiglia in qualche modo a una situazione vissuta in precedenza. Il “riconoscimento dei modelli”, un elemento importante nell’azione umana, ha implicazioni per la bionica. Un modo per progettare una macchina artificiale capace di proprietà di riconoscimento di schemi è quello di utilizzare processi di apprendimento. Sono state sviluppate versioni sperimentali di una tale macchina; esse imparano stabilendo e modificando le connessioni tra un gran numero di possibili percorsi alternativi in una rete di percorsi. Questo apprendimento, tuttavia, è ancora rudimentale e lontano da quello umano.

La prima differenza essenziale tra i computer elettronici esistenti e il cervello umano sta nel modo in cui le loro memorie sono organizzate. Sia nella memoria di un essere vivente che in quella di una macchina, il problema principale sta nel recuperare le informazioni una volta che sono state memorizzate. Il metodo usato dai computer si chiama “indirizzamento”. La memoria di un computer può essere paragonata ad un grande scaffale di cassette, ognuna delle quali ha un numero o un indirizzo particolare. È possibile trovare una certa informazione se l’indirizzo – cioè il numero della piccionaia – è noto. La memoria umana funziona in modo molto diverso, usando l’associazione di dati. L’informazione viene recuperata secondo il suo contenuto, non secondo un indirizzo esterno aggiunto artificialmente. Questa differenza è sia qualitativa che quantitativa. I dispositivi di memoria creati dall’uomo sono ora costruiti usando principi associativi, e c’è un grande potenziale in questo campo.

La seconda differenza principale tra i computer elettronici e il cervello umano risiede nel modo di trattare le informazioni. Un computer elabora dati precisi. Gli esseri umani accettano dati confusi ed eseguono operazioni che non sono strettamente rigorose. Inoltre, i computer eseguono solo operazioni elementari molto semplici, producendo risultati complessi eseguendo un gran numero di tali operazioni semplici a velocità molto elevata. Al contrario, il cervello umano esegue a bassa velocità ma in parallelo piuttosto che in sequenza, producendo diversi risultati simultanei che possono essere confrontati (vedi anche intelligenza artificiale).

Nel mondo vivente, l’energia è immagazzinata sotto forma di composti chimici; il suo utilizzo è sempre accompagnato da reazioni chimiche. L’energia solare è immagazzinata dalle piante per mezzo di complessi processi chimici. L’energia del movimento muscolare deriva da cambiamenti chimici. La luce prodotta da organismi viventi come funghi, lucciole e certi pesci è di origine chimica. In ogni caso la trasformazione dell’energia è notevolmente efficiente rispetto ai motori termici.

Si sta cominciando a capire come queste trasformazioni avvengono nel materiale vivente e la natura del complesso ruolo svolto dalle membrane viventi. Forse alcune delle limitazioni della complessità e della fragilità molecolare potrebbero essere superate nelle macchine energetiche artificiali costruite dall’uomo e si potrebbero ottenere risultati migliori che nelle membrane naturali.

Si sta cominciando a capire come avvengono queste trasformazioni nella materia vivente e la natura del ruolo complesso svolto dalle membrane viventi.