Bionica, wetenschap van het construeren van kunstmatige systemen die enkele kenmerken hebben van levende systemen. De bionica is geen gespecialiseerde wetenschap, maar een interwetenschappelijke discipline; zij kan worden vergeleken met de cybernetica. Bionica en cybernetica worden wel de twee zijden van dezelfde medaille genoemd. Beide maken gebruik van modellen van levende systemen, de bionica om nieuwe ideeën te vinden voor nuttige kunstmatige machines en systemen, de cybernetica om te zoeken naar een verklaring van het gedrag van levende wezens.

Bionica is dus te onderscheiden van bio-engineering (of biotechnologie), d.w.z. het gebruik van levende wezens om bepaalde industriële taken uit te voeren, zoals het kweken van gisten op aardolie om voedseleiwitten te leveren, het gebruik van micro-organismen die metalen uit laagwaardige ertsen kunnen concentreren, en het verteren van afvalstoffen door bacteriën in biochemische batterijen om elektrische energie te leveren.

Nabootsing van de natuur is een oud idee. Vele uitvinders hebben door de eeuwen heen machines naar dieren gemodelleerd. Het kopiëren van de natuur heeft duidelijke voordelen. De meeste levende wezens die nu op aarde zijn, zijn het product van twee miljard jaar evolutie, en de bouw van machines om te werken in een omgeving die lijkt op die van levende wezens kan profiteren van deze enorme ervaring. Hoewel directe nabootsing van de natuur de gemakkelijkste weg lijkt, is dit vaak moeilijk, zo niet onmogelijk, onder andere vanwege het verschil in schaal. Bionica-onderzoekers hebben ontdekt dat het voordeliger is de principes te begrijpen van waarom dingen in de natuur werken dan slaafs details te kopiëren.

De volgende stap is het algemeen zoeken naar inspiratie uit de natuur. Levende wezens kunnen vanuit verschillende gezichtspunten worden bestudeerd. Dierlijke spieren zijn een efficiënte mechanische motor; zonne-energie wordt door planten in een chemische vorm opgeslagen met een efficiëntie van bijna 100 procent; de overdracht van informatie binnen het zenuwstelsel is complexer dan de grootste telefooncentrales; het oplossen van problemen door een menselijk brein overtreft ruimschoots de capaciteit van de krachtigste supercomputers. Dit zijn voorbeelden van de twee belangrijkste onderzoeksgebieden van de bionica – informatieverwerking en energietransformatie en -opslag.

Het algemene patroon van het informatienetwerk van levende organismen is het volgende: omgevingssensaties worden ontvangen door de zintuigen en vervolgens gecodeerd in signalen die door zenuwen worden doorgegeven aan de centra van verwerking en geheugen van de hersenen. Scherfadders van de onderfamilie Crotalinae (waartoe ook de ratelslangen behoren), bijvoorbeeld, hebben een warmtedetectiemechanisme dat zich bevindt in een holte tussen neusgaten en ogen. Dit orgaan is zo gevoelig dat het een muis op enkele meters afstand kan detecteren. Hoewel er veel gevoeligere door de mens gemaakte infrarooddetectoren bestaan, kan de bionica toch baat hebben bij de studie van de adders. In de eerste plaats zou het interessant en van potentieel belang zijn het principe te begrijpen van de energieomzetting die in de infraroodput van de ratelslang plaatsvindt, alsmede het proces waarbij de zenuwen worden gestimuleerd bij ontstentenis van een versterkend mechanisme. Een ander treffend voorbeeld is het reukorgaan van de zijdevlinder, Bombyx mori. Het mannetje kan de door het vrouwtje afgescheiden chemische stof in een hoeveelheid van slechts enkele moleculen waarnemen.

In een geleider, zoals een telefoondraad, wordt het signaal verzwakt naarmate het door de draad loopt, en er moeten versterkers worden geplaatst om het te versterken. Dit is niet het geval voor het dierlijk zenuw-axon: de neurale impuls, afkomstig van de zintuigen, verzwakt niet tijdens de reis langs het axon. Deze impuls kan slechts in één richting gaan. Deze eigenschappen maken het zenuw-axon geschikt voor logische bewerkingen. In 1960 werd een halfgeleiderapparaat ontworpen, neuristor genaamd, dat in staat is een signaal in één richting voort te planten zonder verzwakking en dat numerieke en logische bewerkingen kan uitvoeren. De neuristor-computer, geïnspireerd op een natuurlijk model, imiteert het dynamische gedrag van natuurlijke neurale informatienetwerken; elke schakeling kan achtereenvolgens dienen voor verschillende bewerkingen op een wijze die vergelijkbaar is met die van het zenuwstelsel.

Een andere vraag van belang voor de bionica is hoe een levend systeem gebruik maakt van informatie. In veranderende omstandigheden evalueren mensen alternatieve handelwijzen. Elke situatie lijkt op de een of andere manier op een eerder ervaren situatie. “Patroonherkenning”, een belangrijk element in het menselijk handelen, heeft implicaties voor de bionica. Eén manier om een kunstmatige machine te ontwerpen die in staat is tot patroonherkenning, is gebruik te maken van leerprocessen. Er zijn experimentele versies van een dergelijke machine ontwikkeld; zij leren door verbindingen tot stand te brengen en te wijzigen tussen een groot aantal mogelijke alternatieve routes in een net van paden. Dit leren is echter nog rudimentair en verre van menselijk.

Het eerste essentiële verschil tussen de bestaande elektronische computers en het menselijk brein ligt in de wijze waarop hun geheugens zijn georganiseerd. Zowel in het geheugen van een levend wezen als in dat van een machine ligt het voornaamste probleem in het terugvinden van informatie nadat deze is opgeslagen. De methode die computers gebruiken wordt “adressering” genoemd. Een computergeheugen kan worden vergeleken met een groot rek van hokjes, die elk een bepaald nummer of adres (plaats) hebben. Het is mogelijk een bepaald stukje informatie te vinden als het adres – dat wil zeggen het nummer van het hokje – bekend is. Het menselijk geheugen werkt op een heel andere manier, met behulp van associatie van gegevens. Informatie wordt teruggevonden op basis van haar inhoud, niet op basis van een extern adres dat kunstmatig is toegevoegd. Dat verschil is zowel kwalitatief als kwantitatief. Door de mens gemaakte geheugens worden thans geconstrueerd volgens associatieve principes, en er is een groot potentieel op dit gebied.

Het tweede grote verschil tussen elektronische computers en het menselijk brein is gelegen in de wijze van omgaan met de informatie. Een computer verwerkt nauwkeurige gegevens. Mensen accepteren vage gegevens en voeren bewerkingen uit die niet strikt rigoureus zijn. Ook voeren computers slechts zeer eenvoudige elementaire bewerkingen uit, waarbij zij complexe resultaten produceren door een groot aantal van dergelijke eenvoudige bewerkingen met zeer hoge snelheid uit te voeren. Het menselijk brein daarentegen verricht bewerkingen met lage snelheid, maar eerder parallel dan na elkaar, en produceert verschillende gelijktijdige resultaten die met elkaar kunnen worden vergeleken (zie ook kunstmatige intelligentie).

In de levende wereld wordt energie opgeslagen in de vorm van chemische verbindingen; het gebruik ervan gaat altijd gepaard met chemische reacties. Zonne-energie wordt door planten opgeslagen door middel van complexe chemische processen. De energie van de beweging van de spieren wordt afgeleid uit chemische veranderingen. Het licht dat door levende organismen als paddestoelen, glimwormen en bepaalde vissen wordt geproduceerd, is van chemische oorsprong. In alle gevallen is de energieomzetting opmerkelijk efficiënt in vergelijking met thermische motoren.

Er wordt een begin gemaakt met het begrijpen van de wijze waarop deze omzettingen in levend materiaal plaatsvinden en van de aard van de complexe rol die door levende membranen wordt gespeeld. Misschien kunnen sommige van de beperkingen van moleculaire complexiteit en kwetsbaarheid worden overwonnen in door de mens gemaakte kunstmatige energiemachines en kunnen betere resultaten worden bereikt dan in natuurlijke membranen.