Il notevole meccanismo con cui le minuscole orecchie delle locuste possono udire e distinguere i diversi toni è stato scoperto dai ricercatori dell'Università di Bristol.

Comprendere come le caratteristiche su scala nanometrica del timpano dell'insetto elaborano meccanicamente il suono potrebbe aprire possibilità pratiche per la fabbricazione dell'elaborazione del segnale incorporata in microfoni estremamente piccoli.

A differenza di una membrana microfonica, il timpano della locusta è una struttura complicata che viene utilizzata per elaborare le informazioni contenute in un suono in arrivo. Per sopravvivere, la locusta deve essere in grado di distinguere tra i suoni amichevoli delle altre locuste nel suo sciame e i suoni di un pipistrello da caccia che si avvicina. Questi suoni differiscono nella loro composizione tonale:i suoni delle locuste sono rauchi e rumorosi mentre i richiami dell'ecolocalizzazione dei pipistrelli hanno frequenze nettamente più alte.

Usando una serie di raggi laser che brillano sulla locusta, Il dottor Rob Malkin della School of Biological Sciences di Bristol e colleghi sono stati in grado di osservare gli effetti delle onde sonore in arrivo sul timpano. Hanno scoperto che il timpano della locusta si comportava in un modo molto insolito, del tutto diverso da una membrana microfonica o dai timpani di altri animali.

I ricercatori hanno confermato per la prima volta un risultato osservato dal team di Bristol alcuni anni fa, vale a dire che il timpano genera onde concentriche di vibrazioni che si muovono come uno tsunami mentre viaggiano da un lato all'altro della membrana. Il nuovo, un'analisi dettagliata mostra che le onde del timpano causate da suoni a bassa frequenza viaggiano completamente attraverso la membrana, dove le cellule nervose sensibili alle basse frequenze si attaccano alla membrana. Sorprendentemente, le onde ad alta frequenza viaggiano solo per la metà di quella distanza, e fermarsi al punto di attacco dei neuroni ad alta frequenza.

Utilizzando dati e modelli informatici, Dottor Malkin, un ingegnere aerospaziale che lavora nella ricerca sui sensori bio-ispirati, quantificato questo comportamento meccanico. Ha detto:"È diventato rapidamente evidente che la distribuzione dell'energia vibrazionale era strana... abbastanza diversa da quella che fanno i materiali normali quando le onde li attraversano".

I ricercatori hanno poi scoperto un effetto sorprendente:la densità di energia contenuta nell'onda viaggiante è stata amplificata mentre l'onda viaggiava attraverso il timpano. La squadra lo ha misurato, poiché le onde ad alta frequenza convergono in un punto, l'amplificazione può arrivare fino a 56, 000 volte. Questa localizzazione dell'energia è notevole perché è puramente meccanica; in questa fase solo il materiale disposto in modo intelligente all'interno della membrana del timpano fa il lavoro.

Per capire come sia possibile questo effetto in una struttura così piccola, il team ha utilizzato una combinazione di modelli matematici con misurazioni su nanoscala e visualizzazione strutturale. Hanno impiegato un fascio di ioni focalizzato presso l'Interface Analysis Center di Bristol per acquisire conoscenza delle caratteristiche strutturali del timpano della locusta, quindi hanno inserito queste informazioni in modelli analitici per svelare i contributi dei diversi attributi del timpano. Così, hanno stabilito che una particolare combinazione di attributi genera il fenomeno; geometria, tensione, rigidità e distribuzione di massa trasformano il timpano della locusta in un piccolo dispositivo di elaborazione meccanica.

Professor Daniel Robert, che ha guidato il gruppo di ricerca ed è finanziato dalla Royal Society, disse:"Altri animali, compresi i mammiferi come noi, analizzare le differenze tonali utilizzando meccanismi molto raffinati nella coclea. L'udito in questi animali è un processo in tre fasi, dalla cattura del suono con un timpano all'amplificazione delle vibrazioni attraverso le ossa dell'orecchio medio e poi trasmetterle all'analizzatore di frequenza cocleare. Le locuste non si godono il lusso di un così complicato, apparecchi grandi e biologicamente costosi da costruire. Invece le loro orecchie si sono evolute per essere molto più semplici con la cattura del suono, l'amplificazione locale e l'analisi della frequenza avvengono tutte all'interno di un'unica struttura."

Il dottor Malkin ha aggiunto:"Questa è un'impresa di miniaturizzazione e semplificazione; ora dobbiamo realizzare un sensore simile e testarlo".