رواية 3D / VR بيئة تفاعلية لMD المحاكاة، والتصور والتحليل
ديسمبر 18, 2014
تم تنفيذ نظام حسابي جديد يتميز بمحاكاة الديناميكيات الجزيئية المسرعة بوحدة معالجة الرسومات والتصور ثلاثي الأبعاد / VR وتحليله ومعالجته للهياكل النانوية ، مما يمثل نهجا جديدا للنهوض بأبحاث المواد وتعزيز التحقيق المبتكر والأساليب البديلة للتعرف على هياكل المواد ذات الأبعاد غير المرئية للعين البشرية.
الهدف العام من هذا الإجراء هو تصور وتحليل سلوك البنية النانوية في العالم الحقيقي ثلاثي الأبعاد. يتم تحقيق ذلك من خلال إنشاء نظام تصور تفاعلي ثلاثي الأبعاد أولا مع إمكانية المحاكاة. الخطوة الثانية هي بناء وتحقيق هياكل النانو ثلاثية الأبعاد في البيئة التفاعلية.
بعد ذلك ، يتم تحضير هيكل حلزوني نانو ثلاثي الأبعاد من مادة سائبة مختارة ويستخدم النظام لإجراء عمليات الشد أو المحاكاة الأخرى. الخطوة الأخيرة هي تصور وتحليل السلوك الذري الناتج في العالم الحقيقي ثلاثي الأبعاد لبنية النانو. في النهاية ، يمكن استخدام نظام التصور ثلاثي الأبعاد في هذا العمل للتحقيق في هياكل النانو الواقعية عبر الديناميكيات الجزيئية أو محاكاة MD نحو أبحاث ابتكار المواد.
خطرت لي فكرة عن هذه الطريقة في جامعة كاليفورنيا في ديفيس عندما كنت أتعاون مع الدكتور أوليفر ك كرايجو في استخدام هذه التكنولوجيا للبحث والتعلم على وجه التحديد في مجال science. 3D المواد والتصور والتفاعل هي أدوات مهمة لاستكشاف وتحليل المواد حسابيا. لذلك نأمل أن يساعد هذا الجهد الآخرين على التوسع ميغيل دياز ، طالب دراسات عليا من مختبري ، ومما يدل على هذا الإجراء.
للبدء ، قم بإنشاء إطار تعليق كاميرا صلب مباشرة فوق الحافة الأمامية للتلفزيون ثلاثي الأبعاد بالقرب من السقف للحصول على أفضل تغطية. جبل ثلاثة ، الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة تحت الحمراء. الكاميرات الموجودة على حوامل دوارة مباشرة فوق الزوايا الأمامية والمركز الأمامي للتلفزيون ثلاثي الأبعاد.
تأكد من أن زاوية تغطية كل كاميرا ترعى السطح الأمامي للتلفزيون. بعد ذلك ، قم بتجميع وتكوين المعدات والبرامج للواقع الافتراضي ثلاثي الأبعاد أو نظام تصور 3D VR كما هو موضح في بروتوكول النص ، ضع وحدة التحكم بعناية حيث يمكن الوصول إليها بسهولة من كمبيوتر النمذجة ، مع الحرص على عدم لمس أو تحريك علامات تتبع الأشعة تحت الحمراء الكروية المرفقة بها. ضع أيضا نظارات 3D بعناية على حامل التلفزيون ، وتجنب العلامات العاكسة بعد الإعداد الإضافي.
كما هو مفصل في بروتوكول النص ، افتح نافذة طرفية بها عدة علامات تبويب على سطح مكتب كمبيوتر النمذجة على كمبيوتر التتبع. تحقق من عنوان IP لمحول إيثرنت عن طريق كتابة تكوين IP في نافذة أوامر على كمبيوتر النمذجة. افتح علامة تبويب نافذة المحطة الطرفية وتحقق داخل ملف cfg النقطي لأجهزة الواقع الافتراضي من أن اسم الخادم يحدد عنوان IP لمحول إيثرنت كمبيوتر التعقب على كمبيوتر التتبع.
اسمح لبرنامج أداة الجسم الصلبة opti track بالفتح بالكامل. ثم انقر فوق الزر الكبير بالقرب من القائمة العلوية المسماة نتيجة معايرة الحمل. استعرض ملف معايرة الكاميرا المناسب وافتحه.
بعد تحميل الملف، انقر فوق قائمة الملفات وحدد تحميل تعريفات النص الصلب. استعرض وافتح ملف تعريف الجسم الصلب المناسب لوحدة التحكم المتعقبة والنظارات الواقية ثلاثية الأبعاد في الجزء الأيمن من برنامج التتبع. حدد موقع القسم المسمى البث وقم بتوسيع القسم ضمن فئة دفق VRPN.
تحقق من أن رقم المنفذ المدرج هو 3 8 8 3، وحدد مربع بيانات إطار البث داخل فئة محرك دفق VRPN على كمبيوتر النمذجة. قم بإحضار علامة تبويب في نافذة المحطة الطرفية التي تم إنشاؤها سابقا في هذه الجلسة. انتقل إلى برنامج شيطان جهاز VR وابدأ تشغيله.
بعد ذلك ، اتبع المطالبة للضغط على الزرين الأول واثنين على WiMo في وقت واحد. إذا كان النشاط ناجحا، فستعرض النافذة الآن خادم جهاز VR في انتظار اتصال العميل داخل نافذة المحطة الطرفية لجهاز النمذجة التي تم إنشاؤها مسبقا. حدد علامة التبويب الثالثة لبدء تشغيل برنامج NCK.
انتقل إلى دليل تثبيت NCK واكتب الأمر الموضح هنا والمدرج أيضا في بروتوكول النص مع الحرص الشديد على عدم لمس أو فك علامات التتبع المرفقة. ارتد نظارات واقية ثلاثية الأبعاد والتقط وحدة التحكم. اضبط موضع عرض نظارات الرأس لضمان تلقي نظارات 3D لإشارة مزامنة باعث الأشعة تحت الحمراء ثلاثية الأبعاد ، مما يسمح بعرض 3D VR لشاشة التلفزيون من أجل تعيين أداة لإضافة الذرات ونقلها وحذفها.
قم بتعيين اقترانات أوامر NCK للأزرار الموجودة على وحدة التحكم عن طريق الضغط مع الاستمرار على زر الصفحة الرئيسية wiimote ، والذي يظهر قائمة NCK الرئيسية على الشاشة. انتقل إلى عنصر قائمة أدوات التجاوز وحدده، ثم حرر زر الصفحة الرئيسية. يسمح هذا بتعيين الأوامر لأزرار مختلفة على وحدة التحكم بشكل مستقل عن بعضها البعض.
لربط زر مشغل WiMo بإجراء معالجة الذرات داخل NCK، اضغط مع الاستمرار على زر المشغل. انتقل إلى قائمة NCK التي تظهر على الشاشة للسحب وتحديد ست درجات من السحب قبل تحرير المشغل. يرتبط الزناد الآن بعمل التلاعب بالذرات.
لتعيين وظيفة إضافة ذرة إلى زر علامة الجمع في wiimote ، قم بإحضار القائمة الرئيسية بالضغط مع الاستمرار على زر الصفحة الرئيسية. انتقل إلى أنواع الوحدات الهيكلية وحدد مثلثا قبل تحرير زر الصفحة الرئيسية. بعد ذلك ، اضغط مع الاستمرار على زر علامة الجمع وحدد ستة أدوات سحب DOF كما كان من قبل.
ثم حرر زر علامة الجمع. يرتبط زر الجمع الآن بإنشاء ذرات جديدة من النوع المحدد في هذه الحالة ، ذرات الكربون ممثلة بالمثلثات. لتعيين وظيفة حذف ذرة إلى زر الطرح على wiimote ، قم بإحضار القائمة الرئيسية بالضغط مع الاستمرار على زر الصفحة الرئيسية.
ثم انتقل إلى أنواع الوحدات الهيكلية وحدد حذف الوحدات المحددة. قبل تحرير زر الصفحة الرئيسية ، اضغط مع الاستمرار على زر الطرح وحدد ستة سحب DOF كما كان من قبل. ثم حرر زر الناقص.
يرتبط زر الطرح الآن بحذف الذرات. اتبع إجراء مشابها لتعيين وظائف قفل الوحدات المحددة إلى زر WiMo واحد وإلغاء قفل الوحدات المحددة إلى زر وحدة التحكم. بمجرد تكوين أزرار وحدة التحكم ، قم بإنشاء أنبوب نانو كربوني باستخدام NCK باستخدام زر الجمع أولا لإضافة ذرتين من الكربون الثلاثي ثلاثي السندات إلى مساحة عمل NCK.
قمبمعالجة هذه باستخدام زر المشغل حتى تنضم إلى الرأس. ثم أضف أربع ذرات كربون أخرى لإنشاء شكل نجم سداسي. باستخدام القائمة الرئيسية ، انتقل إلى قوائم إخراج الإدخال ثم لحفظ الوحدات ، حرك الهيكل السداسي بعيدا عن موضعه الحالي.
استخدم الآن القائمة الرئيسية للانتقال مرة أخرى إلى قوائم إخراج الإدخال ثم تحميل الوحدات. كرر الخطوتين الأخيرتين حتى ستة في ستة ورقة سداسية. تم إنشاء ست حلقات ذرية.
باستخدام قفل الزر الواحد ، وذرة واحدة في الصف العلوي وذرة معارضة في الصف السفلي ، سيتم تمييز الذرات المقفلة باللون الوردي. باستخدام زر الزناد ، حرك إحدى الذرات المقفلة بحذر في قوس دائري حتى تتحرر. يقترب الرأس من الرأس الحر لآدم المقفل المعارض.
بمجرد الانضمام بنجاح ، افتح كلتا الذرتين باستخدام الزرين. استمر في قفل الرؤوس المتعارضة في لوح الكربون والانضمام إليها وفتحها بالمثل. ضغط الورقة بشكل فعال في أنبوب نانو كربوني نهائي.
قم باستيراد نموذج حجرة ثاني أكسيد السيليكون البلوري الأولي إلى برنامج 3D VR NCK وتحقق من الهيكل الأولي. قم بتشغيل إجراء محاكاة لإخماد الذوبان على هذا الهيكل الأولي المطلوب لإنتاج بنية ثاني أكسيد السيليكون غير المتبلورة. ثم قم باستيراد نموذج ثاني أكسيد السيليكون المضطرب الجديد الناتج إلى برنامج 3D VR NCK وتحقق من الهيكل.
قم بإنشاء ثاني أكسيد السيليكون أو النانو النابض أو الشريط النانوي من المادة الصلبة غير المتبلورة الجديدة. باستخدام الكود مفتوح المصدر ، نحات النانو النابض والوثائق التعليمية المرتبطة به. استخدم حزمة الديناميكيات الجزيئية للمصابيح لإجراء عمليات محاكاة الشد على شريط النانو أو النانو كما هو موضح في مكان آخر.
أخيرا ، استخدم أدوات البرامج مفتوحة المصدر ، وتصور الديناميكيات الجزيئية ، وسحر الصورة ، وربط FF m لإنشاء لقطات ورسوم متحركة لبنية النانو الحلزونية خلال هذه المحاكاة أو العرض التقديمي في نظام تصور 3D VR. يوضح هذا البروتوكول الموضح هنا كيفية إنشاء نظام مختبر متكامل للمحاكاة الذرية عالية الأداء والتصور ثلاثي الأبعاد التفاعلي للهياكل النانوية. باستخدام نظام التصور 3D VR ، يمكن بناء هياكل النانو المعقدة مثل أنبوب نانو الكربون مع السلوك الذري في العالم الحقيقي والتحقيق فيها.
ثم تم إنشاء شريط نانو حلزوني من السيليكا وإخضاعه لأحمال شد محاكاة ، وتم تصور نتائج المحاكاة في ثلاثة أبعاد للتحقيق في التحول الهيكلي وفشل الهيكل النانوي في ظل ظروف الشد هذه. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن تكون قادرا على تحليل وتصور أي سلوك لنموذج البنية النانوية باستخدام نظام تصور ثلاثي الأبعاد مثل النظام الموجود لدينا في المختبر.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه المقالة نظامًا حسابيًا جديدًا يدمج محاكاة الديناميكيات الجزيئية المعززة بـ GPU مع التصور ثلاثي الأبعاد / الواقع الافتراضي لتحليل الهياكل النانوية. يهدف النظام إلى تعزيز أبحاث المواد من خلال توفير طرق مبتكرة لاستكشاف هياكل المواد على نطاق النانو.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علوم المواد
- النانوتكنولوجي
- النمذجة الحسابية
الخلفية
- فهم الهياكل النانوية أمر بالغ الأهمية للتقدم في أبحاث المواد.
- قد لا تقوم الطرق التقليدية بتصور ظواهر النانو بشكل فعال.
- يمكن للتصور ثلاثي الأبعاد توفير رؤى أعمق في سلوك المواد.
- يعزز تسريع GPU قدرات المحاكاة.
غرض الدراسة
- لتصور وتحليل سلوك الهياكل النانوية ثلاثية الأبعاد.
- لإنشاء بيئة تفاعلية لمحاكاة الهياكل النانوية.
- لإجراء محاكاة على هياكل لولبية نانوية مُعدة.
الطرق المستخدمة
- تطوير نظام تصور ثلاثي الأبعاد تفاعلي.
- بناء هياكل نانوية ثلاثية الأبعاد من المواد السائبة.
- إجراء محاكاة شدية وأنواع أخرى على الهياكل النانوية.
- تصور وتحليل السلوك الذري بعد المحاكاة.
النتائج الرئيسية
- ينجح النظام في تصور الهياكل النانوية ثلاثية الأبعاد.
- توفر المحاكاة رؤى حول سلوك المواد على نطاق النانو.
- تعزز الميزات التفاعلية مشاركة المستخدم وفهمه.
- تدعم النتائج الأساليب المبتكرة في أبحاث المواد.
الاستنتاجات
- يعد نظام التصور ثلاثي الأبعاد أداة قيّمة للابتكار في المواد.
- يسهل التحقيقات الواقعية في الهياكل النانوية.
- يمكن للبحوث المستقبلية أن تبني على هذا النظام لمزيد من التطورات.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
This computational system enables biopharma R&D teams to visualize and analyze nanostructure behavior in a 3D/VR environment, supporting mechanistic de-risking in early discovery. By integrating GPU-accelerated molecular dynamics with interactive visualization, it enhances target validation and predictive confidence for nanomaterial-based therapeutics. The platform facilitates translational continuity from atomic-scale simulation to preclinical evaluation of nanostructured drug delivery systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by visualizing atomistic interactions of nanostructures with biological targets.
- Operational Value: Supports biological de-risking through direct observation of structural transformations under simulated physiological conditions.
- Predictive Value: Enhances portfolio triage by providing quantitative insights into nanostructure stability and failure mechanisms.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems for downstream workflows by enabling standardized nanostructure construction and manipulation.
- Quantitative Outputs: Generates measurable simulation data on structural integrity and dynamic behavior for compound evaluation.
- Platform Reuse: Offers scalable, reusable capability for screening nanocarrier designs and surface modifications.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Supports investigation of inorganic nanostructures (e.g., silica glass nanosprings) under varying conditions relevant to drug delivery pathways.
- Translational Continuity: Bridges discovery-scale simulation with preclinical validation through consistent 3D/VR analysis of atomistic behavior.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by visualizing failure modes under tensile or environmental stress.
Pipeline & Workflow Integration
The system integrates into the discovery continuum from early hypothesis testing through lead identification and preclinical work, particularly for nanomedicine development.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling real-time visualization of nanostructure-biomolecule interactions.
- Screening: Enhances assay readiness through reproducible nanostructure construction and manipulation in a controlled virtual environment.
- Analytics: Delivers quantitative measurements of structural dynamics and failure points that inform comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by allowing consistent analysis of nanostructure behavior from simulation to validation stages.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for iterative design, testing, and optimization of nanoscale drug delivery systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation, reduction of mechanistic ambiguity in nanostructure behavior.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of nanostructure simulation and visualization workflows.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk in nanomedicine development.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on visualized structural performance.
Implementation Considerations
- Requires expertise in molecular dynamics simulation, 3D/VR systems, and GPU-accelerated computing.
- Depends on NVIDIA CUDA-compatible hardware, VR tracking systems, and open-source software (LAMMPS, NCK).
- Necessitates cross-team standardization between computational biologists, materials scientists, and visualization specialists.
- Involves adaptation considerations when applying the system to biological nanomaterials (e.g., liposomes, polymeric nanoparticles) versus inorganic nanostructures.
- Practical limitations include setup complexity and dependency on precise calibration of IR tracking markers and VR hardware synchronization.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:41
Prepare 3D/VR Modeling System for Use
4:37
Test 3D/VR Visualization System Using NCK Software
9:03
Visualization of Molecular Dynamics Simulation Models
10:16
Results: An Integrated System for Atomistic Simulation and 3D Visualization of Nanostructures
11:02
Conclusion
