رواية 3D / VR بيئة تفاعلية لMD المحاكاة، والتصور والتحليل

يتمثل الهدف العام من هذا الإجراء في تصور وتحليل سلوك البنى النانوية ثلاثية الأبعاد في العالم الحقيقي. ويتحقق ذلك أولاً من خلال إنشاء نظام تصور ثلاثي الأبعاد تفاعلي يتمتع بقدرات المحاكاة. وتتمثل الخطوة الثانية في بناء واستقصاء البنى النانوية ثلاثية الأبعاد ضمن هذه البيئة التفاعلية.

بعد ذلك، يتم تحضير بنية حلزونية نانوية ثلاثية الأبعاد من مادة كتلية مختارة، ويُستخدم النظام لإجراء محاكاة للشد أو أنواع أخرى من المحاكاة. وتتمثل الخطوة النهائية في تصور وتحليل السلوك الذري ثلاثي الأبعاد الناتج للبنية النانوية في العالم الحقيقي. وفي نهاية المطاف، يمكن استخدام نظام التصور ثلاثي الأبعاد في هذا العمل لاستقصاء البنيات النانوية الواقعية عبر الديناميكا الجزيئية أو محاكاة MD من أجل أبحاث ابتكار المواد.

لقد خطرت لي فكرة هذه الطريقة عندما كنت في جامعة كاليفورنيا، ديفيس (UC Davis) وأنا أتعاون مع الدكتور Oliver K Craigo حول استخدام هذه التقنية في البحث والتعلم، وتحديداً في مجال علم المواد. إذ تُعد التصورات التفاعلية ثلاثية الأبعاد أدوات مهمة لاستكشاف المواد وتحليلها حاسوبياً. لذا، نأمل أن يساعد هذا الجهد الآخرين على التوسع في هذا المجال. وسيقوم ميغيل دياز، وهو طالب دراسات عليا من مختبري، بتوضيح هذا الإجراء بشكل أكبر.

للبدء، قم بإنشاء إطار تعليق كاميرا صلب مباشرة فوق الحافة الأمامية للتلفاز الذي يدعم تقنية ثلاثية الأبعاد بالقرب من السقف لضمان أفضل تغطية. قم بتركيب ثلاث كاميرات تعمل بالأشعة تحت الحمراء (ir) على حوامل دوارة مباشرة فوق الزوايا الأمامية والمنتصف الأمامي للتلفاز ثلاثي الأبعاد.

تأكد من أن زاوية تغطية كل كاميرا تلامس بالكاد السطح الأمامي لجهاز التلفاز. بعد ذلك، قم بتجميع وتهيئة المعدات والبرمجيات الخاصة بنظام التصور بالواقع الافتراضي ثلاثي الأبعاد أو نظام 3D VR كما هو موضح في البروتوكول النصي، وضع وحدة التحكم بعناية في مكان يمكن الوصول إليه بسهولة من كمبيوتر النمذجة، مع الحرص على عدم لمس أو تحريك علامات تتبع IR الكروية المثبتة بها. كما يجب وضع نظارات 3D بعناية على حامل التلفاز، مع تجنب العلامات العاكسة بعد إتمام عملية الإعداد الإضافية.

كما هو مفصل في البروتوكول النصي، افتح نافذة طرفية (terminal) بعدة علامات تبويب على سطح مكتب جهاز النمذجة في جهاز التتبع. تحقق من عنوان IP لمحول الإيثرنت عن طريق كتابة IP config في نافذة الأوامر على جهاز النمذجة. افتح علامة تبويب في النافذة الطرفية وتحقق من أن اسم الخادم في ملف VR devices dot cfg يحدد عنوان IP لمحول إيثرنت الخاص بجهاز التتبع على جهاز التتبع.

اترك برنامج أداة الجسم الجاسئ (rigid body tool) الخاص بنظام OptiTrack ليفتح بالكامل. ثم انقر على الزر الكبير الموجود بالقرب من القائمة العلوية والمسمى "load calibration result". تصفح المجلدات وافتح ملف معايرة الكاميرا المناسب.

بعد تحميل الملف، انقر فوق قائمة الملف (file menu) واختر تحميل تعريفات الجسم الصلب (load rigid body definitions). تصفح وافتح ملف تعريف الجسم الصلب المناسب لوحدة التحكم المتتبعة ونظارات ثلاثية الأبعاد (3D goggles) في اللوحة الموجودة في أقصى اليمين من برنامج التتبع. حدد القسم المسمى البث (streaming) وقم بتوسيع القسم الموجود تحت فئة بث VRPN.

تحقق من أن رقم المنفذ المدرج هو 3 8 8 3، وافحص مربع بيانات إطار البث (broadcast frame data) داخل فئة محرك بث VRPN على كمبيوتر النمذجة. افتح علامة تبويب في نافذة الطرفية (terminal) التي تم إنشاؤها مسبقاً في هذه الجلسة، ثم انتقل إلى برنامج VR device demon وقم بتشغيله.

بعد ذلك، اتبع التوجيهات بالضغط على الزرين الأول والثاني في جهاز WiMo في آن واحد. إذا تمت العملية بنجاح، ستظهر الآن في نافذة طرفية لجهاز كمبيوتر النمذجة التي تم إنشاؤها مسبقاً عبارة VR device server waiting for client connection. اختر التبويب الثالث لتشغيل برنامج NCK.

انتقل إلى دليل تثبيت NCK واكتب الأمر الموضح هنا والمدرج أيضاً في البروتوكول النصي، مع الحرص الشديد على عدم لمس أو تحريك علامات التتبع الملحقة. ارتدِ النظارات ثلاثية الأبعاد وأمسك بجهاز التحكم. اضبط وضعية رؤية النظارات للتأكد من استقبالها لإشارة المزامنة من باعث الأشعة تحت الحمراء الخاص بالتلفزيون ثلاثي الأبعاد، مما يتيح عرض شاشة التلفزيون بتقنية الواقع الافتراضي ثلاثي الأبعاد (3D VR) للحصول على مجموعة أدوات لإضافة الذرات وتحريكها وحذفها.

قم بتعيين ارتباطات أوامر NCK للأزرار الموجودة على وحدة التحكم عن طريق الضغط المستمر أولاً على زر الصفحة الرئيسية (home) في جهاز wiimote، وهو ما يؤدي إلى ظهور القائمة الرئيسية لـ NCK على الشاشة. انتقل إلى عنصر قائمة أدوات التجاوز (override tools) وحدده، ثم حرر زر الصفحة الرئيسية. يتيح ذلك تعيين الأوامر لأزرار مختلفة على وحدة التحكم بشكل مستقل عن بعضها البعض.

لربط زر التشغيل في WiMo بعملية تحريك الذرات داخل NCK، اضغط مع الاستمرار على زر التشغيل. تنقل عبر قائمة NCK التي تظهر على الشاشة وصولاً إلى dragger، ثم اختر six degree of freedom dragger قبل تحرير الزر. أصبح زر التشغيل الآن مرتبطاً بعملية تحريك الذرات.

لتعيين وظيفة إضافة ذرة إلى زر الزائد (+) في جهاز wiimote، قم بإظهار القائمة الرئيسية بالضغط المستمر على زر الصفحة الرئيسية (home). انتقل إلى أنواع الوحدات الهيكلية واختر المثلث قبل تحرير زر الصفحة الرئيسية. بعد ذلك، اضغط مع الاستمرار على زر الزائد (+) واختر أداة السحب سداسية درجات الحرية (six DOF dragger) كما فعلت سابقاً.

بعد ذلك، حرر زر الزائد. أصبح زر الزائد الآن مرتبطاً بإنشاء ذرات جديدة من النوع المحدد في هذه الحالة، وهي ذرات الكربون الممثلة بمثلثات. ولتعيين وظيفة حذف الذرة لزر الناقص في جهاز wiimote، قم بإظهار القائمة الرئيسية عن طريق الضغط مع الاستمرار على زر الصفحة الرئيسية.

بعد ذلك، انتقل إلى أنواع الوحدات الهيكلية واختر حذف الوحدات المحددة. وقبل تحرير زر الصفحة الرئيسية، اضغط مع الاستمرار على زر الناقص واختر سحب ست درجات حرية (six DOF dragger) كما سبق. ثم حرر زر الناقص.

أصبح زر الناقص مرتبطاً الآن بحذف الذرات. اتبع إجراءً مماثلاً لتعيين وظيفة قفل الوحدات المختارة لزر WiMo الأول، ووظيفة إلغاء قفل الوحدات المختارة لزر التحكم الثاني. بمجرد تكوين أزرار التحكم، قم بإنشاء أنبوب كربون نانوي باستخدام NCK عن طريق استخدام زر الزائد أولاً لإضافة ذرتي كربون ثلاثي الروابط في شكل مثلث إلى مساحة عمل NCK.

قم بتحريك هذه العناصر باستخدام زر التشغيل حتى تلتقي عند رأس واحد. ثم أضف أربع ذرات كربون أخرى لإنشاء شكل نجمة سداسية. باستخدام القائمة الرئيسية، انتقل إلى قوائم الإدخال والإخراج (input output menus) ثم إلى حفظ الوحدات (save units)، وقم بتحريك الهيكل سداسي الرؤوس بعيدًا عن موقعه الحالي.

استخدم الآن القائمة الرئيسية للانتقال مجدداً إلى قوائم الإدخال والإخراج (input output menus)، ثم اختر تحميل الوحدات (load units). كرر الخطوتين الأخيرتين حتى يتم إنشاء ورقة مكونة من حلقات سداسية من ست ذرات بترتيب ستة في ستة.

باستخدام زر القفل الواحد، يتم تحديد ذرة واحدة في الصف العلوي وذرة مقابلة لها في الصف السفلي، وستظهر الذرات المقفلة باللون الوردي. باستخدام زر التشغيل، حرك إحدى الذرات المقفلة بعناية في قوس دائري حتى تتحرر. يقترب الرأس من الرأس الحر للذرة المقفلة المقابلة.

بمجرد إتمام عملية الربط بنجاح، قم بتحرير كلتا الذرتين باستخدام الزرين. استمر وبشكل مماثل في قفل وربط وتحرير الرؤوس المتقابلة في ورقة الكربون. يؤدي ذلك فعلياً إلى إغلاق الورقة بشكل سحابي لتكوين أنبوب كربوني نانوي نهائي.

استورد نموذج مكعب أولي من ثاني أكسيد السيليكون البلوري إلى برنامج 3D VR NCK وافحص البنية الأولية. قم بإجراء عملية تبريد مفاجئ منصهر محاكاة على هذه البنية المرتبة الأولية لإنتاج بنية ثاني أكسيد سيليكون غير متبلورة. بعد ذلك، استورد نموذج ثاني أكسيد السيليكون غير المنتظم الناتج إلى برنامج 3D VR NCK وافحص البنية.

قم بتصنيع نابض نانوي أو شريط نانوي من ثاني أكسيد السيليكون باستخدام المادة الصلبة غير المتبلورة الجديدة. استعن بالكود مفتوح المصدر "nano springing carver" والوثائق الإرشادية المصاحبة له. استخدم حزمة LAMMPS للمحاكاة الديناميكية الجزيئية لإجراء عمليات محاكاة للشد على النابض النانوي أو الشريط النانوي كما ورد في تقارير أخرى.

أخيرًا، استخدم أدوات البرمجيات مفتوحة المصدر، visualize molecular dynamics و image magic و FF m peg لإنشاء لقطات ثابتة ورسوم متحركة للبنية النانوية الحلزونية طوال هذه المحاكاة أو العرض التوضيحي في نظام التصوير ثلاثي الأبعاد بتقنية الواقع الافتراضي (3D VR). يوضح هذا البروتوكول المذكور هنا كيفية إنشاء نظام مختبري متكامل للمحاكاة الذرية عالية الأداء والتصوير ثلاثي الأبعاد التفاعلي للبنى النانوية. وباستخدام نظام التصوير ثلاثي الأبعاد بتقنية الواقع الافتراضي (3D VR)، يمكن بناء واستقصاء بنى نانوية معقدة، مثل أنابيب الكربون النانوية، مع محاكاة السلوك الذري الواقعي.

تم إنشاء شريط نانوي حلزوني من السيليكا وإخضاعه لأحمال شد محاكية، ومن ثم جرى تصور نتائج المحاكاة في ثلاثة أبعاد لاستقصاء التحول الهيكلي وانهيار البنية النانوية تحت ظروف الشد هذه. بعد مشاهدة هذا الفيديو، ستكون قادراً على تحليل وتصور سلوك أي نموذج لبنية نانوية باستخدام نظام تصور ثلاثي الأبعاد مماثل للنظام المتوفر في المختبر.