Den anmärkningsvärda mekanismen genom vilken de små öronen på gräshoppor kan höra och skilja mellan olika toner har upptäckts av forskare från University of Bristol.

Att förstå hur insektstrumhinnan i nanoskala bearbetar ljud mekaniskt kan öppna upp praktiska möjligheter för tillverkning av inbäddad signalbehandling i extremt små mikrofoner.

Till skillnad från ett mikrofonmembran, gräshoppans trumhinna är en komplicerad struktur som används för att bearbeta informationen som finns i ett inkommande ljud. För att överleva, gräshoppan behöver kunna skilja mellan de vänliga ljuden av gräshoppor i sin svärm och ljudet av en jaktfladdermus som närmar sig. Dessa ljud skiljer sig åt i sin tonala sammansättning:gräshoppsljud är raspiga och bullriga medan fladdermusekolokaliseringsanrop har klart högre frekvenser.

Med hjälp av en uppsättning laserstrålar som lyser på gräshoppan, Dr Rob Malkin från Bristols School of Biological Sciences och kollegor kunde observera effekterna av inkommande ljudvågor på trumhinnan. De fann att gräshoppans trumhinna betedde sig på ett högst ovanligt sätt, helt olik ett mikrofonmembran eller andra djurs trumhinnor.

Forskarna bekräftade först ett resultat som Bristol-teamet observerade för några år sedan, nämligen att trumhinnan genererar koncentriska vågor av vibrationer som stimmar på ett tsunamiliknande sätt när de färdas från ena sidan av membranet till den andra. Den nya, detaljerad analys visar att trumhinnans vågor orsakade av lågfrekventa ljud färdas helt över membranet, där lågfrekventa nervceller fäster vid membranet. Anmärkningsvärt, högfrekventa vågor färdas bara hälften så långt, och stanna vid fästpunkten för högfrekventa neuroner.

Med hjälp av data och datormodellering, Dr Malkin, en flygingenjör som arbetar med bioinspirerad sensorforskning, kvantifierade detta mekaniska beteende. Han sa:"Det blev snabbt uppenbart att fördelningen av vibrationsenergin var udda... helt olik vad vanliga material gör när vågor färdas genom dem."

Forskarna upptäckte sedan en överraskande effekt:energitätheten i den resande vågen förstärktes när vågen färdades över trumhinnan. Teamet mätte att, när de högfrekventa vågorna konvergerar till en punkt, förstärkningen kan vara så hög som 56, 000 gånger. Denna energilokalisering är anmärkningsvärd eftersom den är rent mekanisk; i detta skede är det bara skickligt arrangerat material i trumhinnan som gör jobbet.

För att förstå hur denna effekt är möjlig i en så liten struktur, teamet använde en kombination av matematisk modellering med mätningar i nanoskala och strukturell visualisering. De använde en fokuserad jonstråle vid Bristols Interface Analysis Center för att få kunskap om de strukturella egenskaperna hos gräshoppans trumhinna och matade sedan in denna information till analytiska modeller för att avslöja bidragen från olika trumhinnors attribut. Således, de fastställde att en speciell kombination av attribut genererar fenomenet; geometri, spänning, styvhet och massfördelning gör alla gräshoppans trumhinna till en liten mekanisk bearbetningsanordning.

Professor Daniel Robert, som ledde forskargruppen och finansieras av Royal Society, sa:"Andra djur, inklusive däggdjur som vi, analysera tonala skillnader med hjälp av mycket raffinerade mekanismer i snäckan. Hörsel hos dessa djur är en process i tre steg, från att fånga ljud med en trumhinna till att förstärka vibrationer genom mellanörats ben och sedan överföra dem till cochlea frekvensanalysatorn. Grähoppor njuter inte av lyxen av en så komplicerad, stora och biologiskt dyra att bygga apparater. Istället utvecklades deras öron till att vara mycket enklare med ljudinfångning, lokal förstärkning och frekvensanalys som alla äger rum inom en struktur."

Dr Malkin tillade:"Detta är en bedrift av miniatyrisering och förenkling, vi måste nu göra en liknande sensor och testa den."