Bionika, nauka o konstruowaniu sztucznych systemów, które mają niektóre z cech systemów żywych. Bionika nie jest nauką specjalistyczną, lecz dyscypliną międzynaukową; można ją porównać z cybernetyką. Bionikę i cybernetykę nazywa się dwiema stronami tego samego medalu. Obie wykorzystują modele systemów żywych, bionika w celu znalezienia nowych pomysłów na użyteczne sztuczne maszyny i systemy, cybernetyka w celu poszukiwania wyjaśnienia zachowania istot żywych.

Bionika różni się zatem od bioinżynierii (lub biotechnologii), która polega na wykorzystaniu istot żywych do wykonywania pewnych zadań przemysłowych, takich jak hodowla drożdży na ropie naftowej w celu dostarczenia białek spożywczych, wykorzystanie mikroorganizmów zdolnych do koncentracji metali z rud o niskiej jakości oraz trawienie odpadów przez bakterie w bateriach biochemicznych w celu dostarczenia energii elektrycznej.

Naśladowanie natury jest starym pomysłem. W ciągu wieków wielu wynalazców wzorowało maszyny na zwierzętach. Kopiowanie z natury ma wyraźne zalety. Większość żywych stworzeń żyjących obecnie na Ziemi jest produktem dwóch miliardów lat ewolucji, a konstrukcja maszyn do pracy w środowisku przypominającym środowisko żywych stworzeń może skorzystać z tego ogromnego doświadczenia. Choć najprostszą drogą może być bezpośrednie naśladowanie natury, jest to często trudne, jeśli nie niemożliwe, między innymi z powodu różnicy skali. Badacze bioniki odkryli, że korzystniejsze jest zrozumienie zasad, dlaczego rzeczy działają w naturze, niż niewolnicze kopiowanie szczegółów.

Następnym krokiem jest uogólnione poszukiwanie inspiracji z natury. Istoty żywe mogą być badane z kilku punktów widzenia. Mięśnie zwierząt są wydajnymi silnikami mechanicznymi; energia słoneczna jest magazynowana w formie chemicznej przez rośliny z prawie stuprocentową wydajnością; transmisja informacji w obrębie systemu nerwowego jest bardziej złożona niż największe centrale telefoniczne; rozwiązywanie problemów przez ludzki mózg znacznie przekracza możliwości najpotężniejszych superkomputerów. Są to przykłady dwóch głównych dziedzin badań bioniki – przetwarzania informacji oraz przekształcania i magazynowania energii.

Ogólny schemat sieci informacyjnej organizmów żywych jest następujący: wrażenia środowiskowe są odbierane przez narządy zmysłów, a następnie kodowane w sygnały, które są przekazywane przez nerwy do ośrodków przetwarzania i zapamiętywania w mózgu. Żmije z podrodziny Crotalinae (do której należą grzechotniki) mają na przykład mechanizm wyczuwania ciepła, który znajduje się w jamie między nozdrzami a oczami. Narząd ten jest tak czuły, że potrafi wykryć mysz z odległości kilku metrów. Choć istnieją znacznie czulsze detektory podczerwieni stworzone przez człowieka, bionika wciąż może skorzystać na badaniach żmij. Po pierwsze, interesujące i potencjalnie wartościowe byłoby zrozumienie zasady przemiany energii zachodzącej w jamie podczerwieni grzechotnika, jak również procesu, w którym nerwy są stymulowane przy braku mechanizmu wzmacniającego. Innym uderzającym przykładem jest organ wyczuwania zapachu u ćmy jedwabnej Bombyx mori. Samiec może wykryć chemicznych wydzielanych przez samicę w ilości tak małe, jak kilka molecules.

W przewodnika, takich jak drut telefoniczny, sygnał jest tłumione, jak podróżuje wzdłuż drutu, a wzmacniacze muszą być umieszczone w odstępach, aby wzmocnić go. Nie jest tak w przypadku aksonu nerwowego zwierząt: impuls nerwowy wydany z narządów zmysłów nie słabnie w podróży wzdłuż aksonu. Impuls ten może przemieszczać się tylko w jednym kierunku. Te właściwości czynią akson nerwowy zdolnym do operacji logicznych. W 1960 roku opracowano urządzenie półprzewodnikowe zwane neurystorem, zdolne do propagacji sygnału w jednym kierunku bez tłumienia i zdolne do wykonywania operacji numerycznych i logicznych. Komputer neurystorowy, zainspirowany naturalnym modelem, naśladuje dynamiczne zachowanie naturalnych neuronowych sieci informacyjnych; każdy obwód może służyć sekwencyjnie do różnych operacji w sposób podobny do systemu nerwowego.

Innym zagadnieniem interesującym bionikę jest sposób, w jaki żywy system wykorzystuje informacje. W zmieniających się okolicznościach, ludzie oceniają alternatywne sposoby działania. Każda sytuacja w jakiś sposób przypomina sytuację doświadczoną wcześniej. „Rozpoznawanie wzorców”, ważny element ludzkiego działania, ma swoje implikacje dla bioniki. Jednym ze sposobów na zaprojektowanie sztucznej maszyny zdolnej do rozpoznawania wzorców jest wykorzystanie procesów uczenia się. Eksperymentalne wersje takiej maszyny zostały już opracowane; uczą się one poprzez tworzenie i modyfikowanie połączeń pomiędzy dużą liczbą możliwych alternatywnych dróg w sieci ścieżek. To uczenie się jest jednak wciąż rudymentarne i dalekie od ludzkiego.

Pierwsza zasadnicza różnica między istniejącymi komputerami elektronicznymi a ludzkim mózgiem polega na sposobie organizacji ich pamięci. Zarówno w pamięci żywej istoty, jak i w pamięci maszyny, główny problem polega na odzyskiwaniu informacji po jej zapisaniu. Metoda, którą stosują komputery, nazywa się „adresowaniem”. Pamięć komputera można porównać do dużej półki z gołębiami, z których każdy ma określony numer lub adres (lokalizację). Możliwe jest znalezienie określonej informacji, jeśli znany jest jej adres – czyli numer gołębnika. Pamięć ludzka działa w zupełnie inny sposób, wykorzystując kojarzenie danych. Informacja jest wyszukiwana według jej treści, a nie według sztucznie dodanego adresu zewnętrznego. Różnica ta jest zarówno jakościowa, jak i ilościowa. Produkowane przez człowieka urządzenia pamięciowe są obecnie konstruowane z wykorzystaniem zasad asocjacyjnych i w tej dziedzinie istnieje ogromny potencjał.

Druga główna różnica między komputerami elektronicznymi a ludzkim mózgiem polega na sposobie traktowania informacji. Komputer przetwarza precyzyjne dane. Ludzie przyjmują dane rozmyte i wykonują operacje, które nie są ściśle rygorystyczne. Ponadto komputery wykonują tylko bardzo proste operacje elementarne, uzyskując złożone wyniki poprzez wykonywanie ogromnej liczby takich prostych operacji z bardzo dużą szybkością. W przeciwieństwie do nich mózg ludzki wykonuje operacje z małą prędkością, ale równolegle, a nie sekwencyjnie, uzyskując kilka jednoczesnych wyników, które mogą być porównywane (patrz też sztuczna inteligencja).

W świecie żywym energia jest magazynowana w postaci związków chemicznych; jej wykorzystaniu zawsze towarzyszą reakcje chemiczne. Energia słoneczna jest magazynowana przez rośliny za pomocą złożonych procesów chemicznych. Energia ruchu mięśni pochodzi z przemian chemicznych. Światło wytwarzane przez takie organizmy żywe jak grzyby, świecidełka i niektóre ryby jest pochodzenia chemicznego. W każdym przypadku przemiana energii jest niezwykle wydajna w porównaniu z silnikami cieplnymi.

Początkiem jest zrozumienie, jak te przemiany zachodzą w żywym materiale oraz natury złożonej roli, jaką odgrywają żywe błony. Być może niektóre z ograniczeń molekularnej złożoności i kruchości mogą być przezwyciężone w sztucznych maszynach energetycznych stworzonych przez człowieka i osiągnąć lepsze wyniki niż w naturalnych membranach.

.