Het opmerkelijke mechanisme waarmee de kleine oren van sprinkhanen verschillende tonen kunnen horen en onderscheiden, is ontdekt door onderzoekers van de Universiteit van Bristol.

Begrijpen hoe de nanoschaalkenmerken van het trommelvlies van insecten mechanisch geluid verwerken, zou praktische mogelijkheden kunnen bieden voor de fabricage van ingebedde signaalverwerking in extreem kleine microfoons.

In tegenstelling tot een microfoonmembraan, het trommelvlies van de sprinkhaan is een ingewikkelde structuur die wordt gebruikt om de informatie in een inkomend geluid te verwerken. Om te overleven, de sprinkhaan moet onderscheid kunnen maken tussen de vriendelijke geluiden van medesprinkhanen in zijn zwerm en de geluiden van een naderende jachtvleermuis. Deze geluiden verschillen in hun tonale samenstelling:sprinkhanengeluiden zijn raspend en luidruchtig, terwijl vleermuis echolocatie-oproepen duidelijk hogere frequenties hebben.

Met behulp van een reeks laserstralen die op de sprinkhaan schijnen, Dr. Rob Malkin van Bristol's School of Biological Sciences en collega's waren in staat om de effecten van binnenkomende geluidsgolven op het trommelvlies te observeren. Ze ontdekten dat het trommelvlies van de sprinkhaan zich op een zeer ongewone manier gedroeg, heel anders dan een microfoonmembraan of de trommelvliezen van andere dieren.

De onderzoekers bevestigden voor het eerst een resultaat dat het Bristol-team een ​​paar jaar geleden observeerde, namelijk dat het trommelvlies concentrische golven van trillingen genereert die zich op een tsunami-achtige manier verplaatsen als ze van de ene kant van het membraan naar de andere gaan. De nieuwe, gedetailleerde analyse toont aan dat trommelvliesgolven veroorzaakt door laagfrequente geluiden volledig door het membraan reizen, waar laagfrequent gevoelige zenuwcellen zich hechten aan het membraan. Opmerkelijk, hoogfrequente golven reizen slechts de helft zo ver, en stop bij het bevestigingspunt van hoogfrequente neuronen.

Met behulp van data- en computermodellering, Dr Malkin, een ruimtevaartingenieur die werkt aan bio-geïnspireerd sensoronderzoek, dit mechanisch gedrag gekwantificeerd. Hij zei:"Het werd al snel duidelijk dat de verdeling van de trillingsenergie vreemd was ... heel anders dan wat normale materialen doen als golven er doorheen reizen."

De onderzoekers ontdekten toen een verrassend effect:de energiedichtheid in de lopende golf werd versterkt terwijl de golf over het trommelvlies reisde. Dat heeft het team gemeten, als de hoogfrequente golven samenkomen op één punt, de versterking kan oplopen tot 56, 000 keer. Deze energielokalisatie is opmerkelijk omdat het puur mechanisch is; in dit stadium doet alleen slim gerangschikt materiaal in het trommelvlies het werk.

Om te begrijpen hoe dit effect mogelijk is in zo'n kleine structuur, het team gebruikte een combinatie van wiskundige modellering met metingen op nanoschaal en structurele visualisatie. Ze gebruikten een gefocusseerde ionenstraal in het interface-analysecentrum van Bristol om kennis te krijgen van de structurele kenmerken van het trommelvlies van de sprinkhaan en voerden deze informatie vervolgens in analytische modellen in om de bijdragen van verschillende trommelvliesattributen te onthullen. Dus, ze stelden vast dat een bepaalde combinatie van attributen het fenomeen genereert; geometrie, spanning, stijfheid en massaverdeling maken het trommelvlies van de sprinkhaan tot een klein mechanisch verwerkingsapparaat.

Professor Daniël Robert, die het onderzoeksteam leidde en wordt gefinancierd door de Royal Society, zei:"Andere dieren, inclusief zoogdieren zoals wij, toonverschillen analyseren met behulp van zeer verfijnde mechanismen in het slakkenhuis. Horen bij deze dieren is een proces in drie stappen, van het vastleggen van geluid met een trommelvlies tot het versterken van trillingen via de botten van het middenoor en deze vervolgens doorsturen naar de cochleaire frequentieanalysator. Sprinkhanen genieten niet van de luxe van zo'n ingewikkeld, groot en biologisch duur apparaat om te bouwen. In plaats daarvan evolueerden hun oren om veel eenvoudiger te zijn met het vastleggen van geluid, lokale versterking en frequentieanalyse vinden allemaal plaats binnen één structuur."

Dr. Malkin voegde toe:"Dit is een staaltje van miniaturisatie en vereenvoudiging; we moeten nu een vergelijkbare sensor maken en testen."