El notable mecanismo por el cual las diminutas orejas de las langostas pueden oír y distinguir entre diferentes tonos ha sido descubierto por investigadores de la Universidad de Bristol.

Comprender cómo las características a nanoescala del tímpano de los insectos procesan mecánicamente el sonido podría abrir posibilidades prácticas para la fabricación de procesamiento de señales integrado en micrófonos extremadamente pequeños.

A diferencia de la membrana de un micrófono, el tímpano de la langosta es una estructura complicada que se utiliza para procesar la información contenida en un sonido entrante. Para poder sobrevivir, la langosta necesita poder distinguir entre los sonidos amistosos de otras langostas en su enjambre y los sonidos de un murciélago cazador acercándose. Estos sonidos difieren en su composición tonal:los sonidos de las langostas son ásperas y ruidosos, mientras que las llamadas de ecolocalización de los murciélagos tienen frecuencias claramente más altas.

Usando un conjunto de rayos láser que brillan sobre la langosta, El Dr. Rob Malkin de la Facultad de Ciencias Biológicas de Bristol y sus colegas pudieron observar los efectos de las ondas sonoras entrantes en el tímpano. Descubrieron que el tímpano de la langosta se comportaba de la manera más inusual, bastante diferente a la membrana de un micrófono o los tímpanos de otros animales.

Los investigadores confirmaron por primera vez un resultado que el equipo de Bristol observó hace unos años:a saber, que el tímpano genera ondas concéntricas de vibraciones que bajan como un tsunami a medida que viajan de un lado de la membrana al otro. El nuevo, un análisis detallado muestra que las ondas del tímpano causadas por sonidos de baja frecuencia viajan completamente a través de la membrana, donde las células nerviosas sensibles a las frecuencias bajas se adhieren a la membrana. Notablemente, las ondas de alta frecuencia viajan solo la mitad de esa distancia, y detenerse en el punto de unión de las neuronas de alta frecuencia.

Usando datos y modelado por computadora, Dr. Malkin, un ingeniero aeroespacial que trabaja en la investigación de sensores bioinspirados, cuantificó este comportamiento mecánico. Dijo:"Rápidamente se hizo evidente que la distribución de la energía vibratoria era extraña ... muy diferente de lo que hacen los materiales normales cuando las ondas viajan a través de ellos".

Luego, los investigadores descubrieron un efecto sorprendente:la densidad de energía contenida en la onda viajera se amplificó a medida que la onda viajaba a través del tímpano. El equipo midió eso, a medida que las ondas de alta frecuencia convergen en un punto, la amplificación puede ser tan alta como 56, 000 veces. Esta localización de energía es notable porque es puramente mecánica; en esta etapa, solo el material dispuesto inteligentemente dentro de la membrana del tímpano hace el trabajo.

Para entender cómo es posible este efecto en una estructura tan pequeña, el equipo utilizó una combinación de modelado matemático con mediciones a nanoescala y visualización estructural. Emplearon un haz de iones enfocado en el Centro de Análisis de Interfaces de Bristol para obtener conocimiento de las características estructurales del tímpano de la langosta y luego introdujeron esta información en modelos analíticos para develar las contribuciones de diferentes atributos del tímpano. Por lo tanto, establecieron que una combinación particular de atributos genera el fenómeno; geometría, tensión, la rigidez y la distribución de masa convierten el tímpano de langosta en un pequeño dispositivo de procesamiento mecánico.

Profesor Daniel Robert, que dirigió el equipo de investigación y está financiado por la Royal Society, dijo:"Otros animales, incluyendo mamíferos como nosotros, Analizar las diferencias tonales utilizando mecanismos muy refinados en la cóclea. Escuchar en estos animales es un proceso de tres pasos, desde capturar el sonido con un tímpano hasta amplificar las vibraciones a través de los huesos del oído medio y luego transmitirlas al analizador de frecuencia coclear. Las langostas no disfrutan del lujo de tan complicado, aparatos grandes y biológicamente caros de construir. En cambio, sus oídos evolucionaron para ser mucho más simples con la captura de sonido, la amplificación local y el análisis de frecuencia tienen lugar dentro de una estructura ".

El Dr. Malkin agregó:"Esta es una hazaña de miniaturización y simplificación; ahora necesitamos hacer un sensor similar y probarlo".