Bionik, vetenskapen om att konstruera konstgjorda system som har vissa av de levande systemens egenskaper. Bionik är inte en specialiserad vetenskap utan en tvärvetenskaplig disciplin; den kan jämföras med cybernetik. Bionik och cybernetik har kallats de två sidorna av samma mynt. Bionik använder modeller av levande system, bionik för att hitta nya idéer till användbara konstgjorda maskiner och system, cybernetik för att söka förklaringar till levande varelsers beteende.

Bionik skiljer sig alltså från bioteknik (eller bioteknik), som är användningen av levande varelser för att utföra vissa industriella uppgifter, t.ex. odling av jäst på petroleum för att få fram livsmedelsproteiner, användning av mikroorganismer som kan koncentrera metaller från lågkvalitativa malmer och bakteriers nedbrytning av avfall i biokemiska batterier för att leverera elektrisk energi.

Naturens imitation är en gammal idé. Många uppfinnare har genom århundradena modellerat maskiner efter djur. Att kopiera från naturen har tydliga fördelar. De flesta levande varelser som nu finns på jorden är produkten av två miljarder år av evolution, och konstruktionen av maskiner som ska arbeta i en miljö som liknar de levande varelsernas kan dra nytta av denna enorma erfarenhet. Även om man kan tro att det enklaste sättet är att direkt imitera naturen är detta ofta svårt, om inte omöjligt, bland annat på grund av skillnaden i skala. Bionikforskare har funnit att det är mer fördelaktigt att förstå principerna för varför saker och ting fungerar i naturen än att slaviskt kopiera detaljer.

Nästa steg är det generella sökandet efter inspiration från naturen. Levande varelser kan studeras ur flera synvinklar. Djurens muskler är en effektiv mekanisk motor; solenergi lagras i kemisk form av växter med nästan 100 procents effektivitet; överföring av information inom nervsystemet är mer komplex än de största telefonväxlarna; problemlösning av en mänsklig hjärna överstiger vida kapaciteten hos de mest kraftfulla superdatorerna. Dessa exemplifierar de två huvudområdena inom bionikforskningen – informationsbehandling och energiomvandling och -lagring.

Det allmänna mönstret i informationsnätverket hos levande organismer är följande: Omgivningens förnimmelser tas emot av sinnesorganen och kodas sedan till signaler som överförs av nerver till hjärnans centra för bearbetning och memorering. Grottormar i underfamiljen Crotalinae (som inkluderar skallerormarna) har t.ex. en värmesensormekanism som är placerad i en grop mellan näsborrarna och ögonen. Detta organ är så känsligt att det kan upptäcka en mus på några meters avstånd. Även om det finns mycket känsligare infraröda detektorer tillverkade av människor kan bionikerna fortfarande dra nytta av studier av huggormarna. För det första skulle det vara intressant och av potentiellt värde att förstå principen för den energiomvandling som sker i skallerormens infraröda grop, liksom den process genom vilken nerverna stimuleras i avsaknad av en förstärkningsmekanism. Ett annat slående exempel är doftsinnesorganet hos silkesfjärilen Bombyx mori. Hanen kan upptäcka den kemikalie som utsöndras av honan i en så liten mängd som några få molekyler.

I en ledare, t.ex. en telefonledning, dämpas signalen när den rör sig längs ledningen, och förstärkare måste placeras med jämna mellanrum för att förstärka den. Detta är inte fallet för djurens nervaxon: den nervimpuls som kommer från sinnesorganen försvagas inte när den färdas längs axonet. Impulsen kan bara färdas i en riktning. Dessa egenskaper gör att nervaxonet kan utföra logiska operationer. År 1960 utvecklades en halvledaranordning som kallas neuristor, som kan överföra en signal i en riktning utan dämpning och som kan utföra numeriska och logiska operationer. Neuristordatorn, som är inspirerad av en naturlig modell, imiterar det dynamiska beteendet hos naturliga neurala informationsnätverk; varje krets kan fungera sekventiellt för olika operationer på ett sätt som liknar nervsystemets.

En annan fråga av intresse för bioniken är hur ett levande system använder sig av information. Under förändrade omständigheter utvärderar människor alternativa handlingsalternativ. Varje situation liknar på något sätt en situation som upplevts tidigare. ”Mönsterigenkänning”, ett viktigt inslag i mänskligt handlande, har konsekvenser för bionik. Ett sätt att utforma en artificiell maskin som har förmåga till mönsterigenkänning är att använda inlärningsprocesser. Experimentella versioner av en sådan maskin har utvecklats; de lär sig genom att upprätta och ändra kopplingar mellan ett stort antal möjliga alternativa vägar i ett nät av vägar. Denna inlärning är dock fortfarande rudimentär och långt ifrån mänsklig.

Den första väsentliga skillnaden mellan befintliga elektroniska datorer och den mänskliga hjärnan ligger i hur deras minnen är organiserade. I antingen en levande varelses eller en maskins minne ligger huvudproblemet i att återfinna information när den väl har lagrats. Den metod som datorer använder sig av kallas ”adressering”. Ett datorminne kan jämföras med ett stort ställ med duvhål, där varje hölje har ett visst nummer eller en viss adress (plats). Det är möjligt att hitta en viss information om adressen, dvs. numret på duvhålet, är känd. Människans minne fungerar på ett helt annat sätt, genom att använda sig av associationer av uppgifter. Information hämtas utifrån dess innehåll, inte utifrån en extern adress som lagts till på konstgjord väg. Denna skillnad är både kvalitativ och kvantitativ. Mänskliga minnesanordningar konstrueras nu med hjälp av associativa principer, och det finns en stor potential på detta område.

Den andra stora skillnaden mellan elektroniska datorer och den mänskliga hjärnan ligger i sättet att hantera informationen. En dator behandlar exakta uppgifter. Människor accepterar luddiga data och utför operationer som inte är strikt rigorösa. Dessutom utför datorer endast mycket enkla elementära operationer och producerar komplexa resultat genom att utföra ett stort antal sådana enkla operationer med mycket hög hastighet. Den mänskliga hjärnan utför däremot med låg hastighet men parallellt snarare än i sekvens, vilket ger flera samtidiga resultat som kan jämföras (se även artificiell intelligens).

I den levande världen lagras energi i form av kemiska föreningar; dess användning åtföljs alltid av kemiska reaktioner. Solenergi lagras av växter genom komplexa kemiska processer. Energin i muskelrörelser härrör från kemiska förändringar. Det ljus som produceras av levande organismer som svampar, glödmaskar och vissa fiskar är av kemiskt ursprung. I samtliga fall är energiomvandlingen anmärkningsvärt effektiv jämfört med termiska motorer.

Det finns en begynnande förståelse för hur dessa omvandlingar äger rum i levande material och för arten av den komplexa roll som de levande membranen spelar. Kanske kan några av begränsningarna i form av molekylär komplexitet och bräcklighet övervinnas i konstgjorda konstgjorda energimaskiner och bättre resultat uppnås än i naturliga membran.