Tsunami i nanoskala hjælper græshopper med at tune ind

Den bemærkelsesværdige mekanisme, hvorved de små ører af græshopper kan høre og skelne mellem forskellige toner, er blevet opdaget af forskere fra University of Bristol.

At forstå, hvordan insekttrommehindens nanoskalaegenskaber bearbejder lyd mekanisk, kunne åbne op for praktiske muligheder for fremstilling af indlejret signalbehandling i ekstremt små mikrofoner.

I modsætning til en mikrofonmembran, græshoppens trommehinde er en kompliceret struktur, som bruges til at behandle informationen i en indkommende lyd. For at overleve, græshoppen skal kunne skelne mellem de venlige lyde fra andre græshopper i sin sværm og lyden af ​​en jagtflagermus, der nærmer sig. Disse lyde adskiller sig i deres tonale sammensætning:græshoppelyde er raspende og støjende, mens flagermus-ekkolokaliseringskald har tydeligt højere frekvenser.

Ved hjælp af et sæt laserstråler, der skinner på græshoppen, Dr. Rob Malkin fra Bristols School of Biological Sciences og kolleger var i stand til at observere virkningerne af indkommende lydbølger på trommehinden. De fandt ud af, at græshoppens trommehinde opførte sig på en højst usædvanlig måde, ganske ulig en mikrofonmembran eller andre dyrs trommehinder.

Forskerne bekræftede først et resultat, som Bristol-holdet observerede for et par år siden, nemlig at trommehinden genererer koncentriske bølger af vibrationer, der stimler på en tsunami-lignende måde, når de bevæger sig fra den ene side af membranen til den anden. Den nye, detaljeret analyse viser, at trommehindebølger forårsaget af lavfrekvente lyde bevæger sig fuldstændigt hen over membranen, hvor lavfrekvente nerveceller fæstner sig til membranen. Bemærkelsesværdigt, højfrekvente bølger rejser kun halvdelen så langt, og stop ved tilknytningspunktet for højfrekvente neuroner.

Brug af data og computermodellering, Dr Malkin, en rumfartsingeniør, der arbejder med bio-inspireret sensorforskning, kvantificeret denne mekaniske adfærd. Han sagde:"Det blev hurtigt klart, at fordelingen af ​​vibrationsenergien var mærkelig ... helt ulig hvad normale materialer gør, når bølger rejser gennem dem."

Forskerne opdagede derefter en overraskende effekt:energitætheden indeholdt i den vandrende bølge blev forstærket, da bølgen rejste hen over trommehinden. Holdet målte, når højfrekvente bølger konvergerer til ét punkt, forstærkningen kan være så høj som 56, 000 gange. Denne energilokalisering er bemærkelsesværdig, fordi den er rent mekanisk; på dette stadium er det kun smart arrangeret materiale i trommehinden, der gør jobbet.

For at forstå, hvordan denne effekt er mulig i så lille en struktur, holdet brugte en kombination af matematisk modellering med målinger i nanoskala og strukturel visualisering. De brugte en fokuseret ionstråle på Bristols Interface Analysis Center for at få viden om de strukturelle egenskaber af græshoppens trommehinde og derefter fodret denne information ind i analytiske modeller for at afsløre bidragene fra forskellige trommehindeattributter. Dermed, de fastslog, at en bestemt kombination af egenskaber genererer fænomenet; geometri, spænding, stivhed og massefordeling gør alle græshoppens trommehinde til en lille mekanisk bearbejdningsanordning.

Professor Daniel Robert, der ledede forskerholdet og er finansieret af Royal Society, sagde:"Andre dyr, inklusive pattedyr som os selv, analysere tonale forskelle ved hjælp af meget raffinerede mekanismer i cochlea. At høre hos disse dyr er en tre-trins proces, fra at fange lyd med en trommehinde til at forstærke vibrationer gennem mellemøreknogler og derefter sende dem til den cochleære frekvensanalysator. Græshopper nyder ikke luksusen af ​​et så kompliceret, store og biologisk dyre apparater at bygge. I stedet udviklede deres ører sig til at være meget enklere med lydoptagelse, lokal forstærkning og frekvensanalyse foregår alt sammen inden for en struktur."

Dr. Malkin tilføjede:"Dette er en bedrift af miniaturisering og forenkling; vi skal nu lave en lignende sensor og teste den."