Le mécanisme remarquable par lequel les minuscules oreilles des criquets peuvent entendre et distinguer les différentes tonalités a été découvert par des chercheurs de l'Université de Bristol.

Comprendre comment les caractéristiques nanométriques du tympan de l'insecte traitent mécaniquement le son pourrait ouvrir des possibilités pratiques pour la fabrication d'un traitement de signal intégré dans des microphones extrêmement petits.

Contrairement à un microphone à membrane, le tympan du criquet est une structure compliquée qui est utilisée pour traiter les informations contenues dans un son entrant. Afin de survivre, le criquet doit être capable de faire la distinction entre les sons amicaux des autres criquets dans son essaim et les sons d'une chauve-souris en chasse qui s'approche. Ces sons diffèrent par leur composition tonale :les sons des criquets sont rauques et bruyants tandis que les appels d'écholocation des chauves-souris ont des fréquences nettement plus élevées.

A l'aide d'un ensemble de faisceaux laser éclairant le criquet, Le Dr Rob Malkin de la School of Biological Sciences de Bristol et ses collègues ont pu observer les effets des ondes sonores entrantes sur le tympan. Ils ont découvert que le tympan du criquet se comportait d'une manière des plus inhabituelles, tout à fait différent d'une membrane de microphone ou des tympans d'autres animaux.

Les chercheurs ont d'abord confirmé un résultat observé par l'équipe de Bristol il y a quelques années, à savoir que le tympan génère des ondes concentriques de vibrations qui s'élèvent à la manière d'un tsunami lorsqu'elles se déplacent d'un côté de la membrane à l'autre. Le nouveau, une analyse détaillée montre que les ondes du tympan causées par les sons à basse fréquence traversent complètement la membrane, où les cellules nerveuses sensibles aux basses fréquences se fixent à la membrane. Remarquablement, les ondes à haute fréquence ne parcourent que la moitié de cette distance, et s'arrêter au point d'attache des neurones à haute fréquence.

En utilisant les données et la modélisation informatique, Dr Malkin, un ingénieur en aérospatiale travaillant dans la recherche sur les capteurs bio-inspirés, quantifié ce comportement mécanique. Il a déclaré :« Il est rapidement devenu évident que la distribution de l'énergie vibratoire était étrange… contrairement à ce que font les matériaux normaux lorsque les ondes les traversent.

Les chercheurs ont alors découvert un effet surprenant :la densité d'énergie contenue dans l'onde progressive était amplifiée au fur et à mesure que l'onde traversait le tympan. L'équipe a mesuré que, comme les ondes haute fréquence convergent vers un point, l'amplification peut aller jusqu'à 56, 000 fois. Cette localisation énergétique est remarquable car elle est purement mécanique; à ce stade, seul un matériau intelligemment disposé à l'intérieur de la membrane du tympan fait le travail.

Pour comprendre comment cet effet est possible dans une si petite structure, l'équipe a utilisé une combinaison de modélisation mathématique avec des mesures à l'échelle nanométrique et une visualisation structurelle. Ils ont utilisé un faisceau d'ions focalisé au Centre d'analyse d'interface de Bristol pour acquérir des connaissances sur les caractéristiques structurelles du tympan du criquet, puis ont introduit ces informations dans des modèles analytiques afin de dévoiler les contributions des différents attributs du tympan. Ainsi, ils ont établi qu'une combinaison particulière d'attributs génère le phénomène; géométrie, tension, la rigidité et la répartition des masses font du tympan du criquet un petit appareil de traitement mécanique.

Professeur Daniel Robert, qui a dirigé l'équipe de recherche et est financé par la Royal Society, dit :« D'autres animaux, y compris des mammifères comme nous, analyser les différences tonales en utilisant des mécanismes très raffinés dans la cochlée. Entendre chez ces animaux est un processus en trois étapes, de la capture du son avec un tympan à l'amplification des vibrations à travers les os de l'oreille moyenne, puis à leur transmission à l'analyseur de fréquence cochléaire. Les criquets ne s'offrent pas le luxe d'une opération aussi compliquée, appareil volumineux et biologiquement coûteux à construire. Au lieu de cela, leurs oreilles ont évolué pour être beaucoup plus simples avec la capture du son, l'amplification locale et l'analyse fréquentielle ont toutes lieu au sein d'une même structure."

Le Dr Malkin a ajouté :« C'est un exploit de miniaturisation et de simplification; nous devons maintenant fabriquer un capteur similaire et le tester. »