Morświny mają metamateriał w głowie

Dzięki złożonej budowie tkanek głowy morświny potrafią zogniskować wiązkę ultradźwięków, naginając prawa fizyki - informuje pismo „Physical Review Applied”.

Morświny różnią się od delfinów głównie krótszym pyskiem i zębami przypominającymi łopatki lub dłuta (zęby delfinów są stożkowate). Są też mniej inteligentne i mniej widowiskowo wyskakują z wody. Podobnie jak delfiny, morświny wykorzystują echolokację do wykrywania zdobyczy (głównie ryb i głowonogów) z odległości nawet 30 metrów. Emitują ultradźwiękowe sygnały w formie zogniskowanej wiązki, której kierunek potrafią zmieniać nie poruszając głową.

Yu Zhang z chińskiego Xiamen University wykonał tomografię komputerową (CT) morświna azjatyckiego (Neophocaena phocaenoides), zwanego też morświnkiem bezpłetwym. Na tej podstawie udało się ustalić właściwości akustyczne różnych tkanek głowy tego morskiego ssaka.

Naukowcy zebrali także wykonane w warunkach polowych nagrania sygnałów emitowanych przez morświny i stworzyli model matematyczny, symulujący wytwarzanie wiązek ultradźwiękowych i kontrolowanie ich.

Jak się okazało, kombinacja kości, przestrzeni powietrznych i tkanek (w tym usytuowanej z przodu głowy tłuszczowej “soczewki akustycznej” zwanej melonem) działa jak metamateriał, jednak w sposób, który nie odpowiada właściwościom typowych materiałów. Dzięki odbijaniu, załamywaniu i rozpraszaniu w metamateriale, zamiast kuliście rozchodzących się fal powstaje ukierunkowana wiązka.

Morświn potrafi poszerzyć wiązkę ultradźwięków, ściskając „melon” mięśniami twarzowymi - dzięki temu doganianej rybie dużo trudniej wymknąć się z wiązki.

Inną osobliwością są - mniejsze od długości wytwarzanej fali - rozmiary tak zwanych phonic lips (jest to struktura przypominająca zasadą działania naszą krtań). Wytwarzane przez phonic lips ultradźwięki powinny się rozpraszać, a nie ogniskować.

Zdaniem autorów badań sonar morświna – działający na odmiennych zasadach niż urządzenia zaprojektowane przez człowieka - może być inspiracją dla nowej generacji małych, precyzyjnych sonarów. Poznanie jego działania powinno także pomóc w tworzeniu nowych metamateriałów stosowanych w przetwornikach wytwarzających ultradźwięki. Obecne technologie nie pozwalają na zbudowanie małego przetwornika o niskiej (jak na ultradźwięki) częstotliwości i skoncentrowanej wiązce.