用于分子动力学模拟、可视化与分析的新型3D/VR交互环境

摘要

已开发出一种新型计算系统，该系统采用GPU加速的分子动力学模拟，并结合纳米结构的3D/VR可视化、分析与操控功能，为推进材料研究提供了全新途径，促进了对人类肉眼不可见尺度材料结构的创新性探索与替代性学习方法。

摘要

近几十年来，计算技术（硬件和软件）的快速发展已影响到包括材料科学、生物学、化学和物理学在内的众多领域的科学研究。本文介绍了一种用于纳米结构精确快速模拟及3D/VR可视化的新型计算系统，该系统基于开源分子动力学（MD）计算机程序LAMMPS。这种替代性计算方法利用现代图形处理器、NVIDIA CUDA技术和专用科学代码，克服了传统计算方法中常见的处理速度瓶颈。结合用于材料建模的虚拟现实系统，该增强功能实现了加速MD模拟能力。其目的是提供一个创新的研究环境，能够同时实现可视化、模拟、建模与分析。研究目标是利用这一创新计算系统，在不同条件下探究无机纳米结构（例如，二氧化硅玻璃纳米弹簧）的结构与性质。本文工作概述了3D/VR可视化系统及其基本组成部件，重要考虑因素（如物理环境）的概览，新型系统的设置与使用细节，加速MD增强的一般流程、技术信息及相关说明。本研究的意义在于构建了一个独特的计算系统，将纳米尺度材料模拟、可视化和交互性融合于虚拟环境中，该系统已成为加州大学默塞德分校（UC Merced）的一项科研与教学工具。

引言

材料科学是一门跨学科领域，研究物质的结构-性能关系，并将其应用于科学与工程的诸多领域。除了通过实验进行研究外，结构-性能关系还可借助计算机模拟来探究，计算工具提供了可增强科研工作的互补性功能。尽管纳米材料因其潜在的社会影响而受到科学家关注并具有重要应用价值，但这一尺度范围在实验方面尤其面临诸多挑战。

计算机模拟使科学家和工程师能够在各种环境中进行专门测试，其应用范围仅受限于时间和计算资源。分子动力学（MD）模拟能够在适当的时间和长度尺度上研究多种纳米材料中的感兴趣现象。模拟研究通过消除物理实验室的限制扩展了材料科学的探索边界，然而许多计算工具缺乏易于访问且直观的研究界面。通过结合模型的图形化显示、高效的计算算法以及基于图形处理单元（GPU）的计算，可增强当前的模拟工作。这些新型图形设备能够与中央处理器高效协同，使数学计算密集型任务由GPU完成。其结果是计算效率有效提升了约10倍，同时功耗最多可降低20倍。

本研究项目的目标是开发并实施一种用于纳米科学研究的新工具，该工具将交互式界面直接与分子动力学模拟、材料科学分析和三维可视化技术相结合。这一具有独特且强大分析能力的创新系统已在加州大学默塞德分校用于纳米尺度的研究与教学，并对纳米技术、物理学、生物学和地质学等其他相关STEM领域产生直接影响，最终惠及教育与社会。

3D/VR 可视化系统被开发为一种研究与教学工具，可在....

方案

1. 在建模计算机上安装 3D/VR 建模软件

1. 在建模计算机上安装 LINUX 基础操作系统（根据硬件选择 Ubuntu x86 或 AMD64）。
2. 修改 LINUX 基础操作系统。
   1. 根据需要安装库文件并添加功能。
3. 在建模计算机上安装 VRUI 和 NCK 3D/VR 建模软件⁶。
   1. 访问相关网站^1,6，获取所有建模软件组件的最新版本。
   2. 编译、配置并测试 VRUI。
   3. 安装并测试 NCK。

2. 设置追踪系统¹

1. 安装红外追踪摄像头⁴
   1. 在靠近天花板处、3D电视前边缘正上方创建一个刚性摄像头悬挂架，以获得最佳覆盖范围。将3个摄像头安装在万向支架上，位置分别位于3D电视的前左角、前右角和前中心正上方。确保每个摄像头的覆盖角度刚好掠过电视的前表面。
   2. 调整摄像头方向，使其平行于3D电视正面的覆盖角度最大（45度），垂直于电视正面的方向则使用较窄的覆盖角度（30度）。确保在所需的3D工作空间内实现最大程度的重叠。为成功追踪，需保证物体始终处于至少两个摄像头的视野范围内（图3）。

结果

该3D/VR可视化系统为开展材料科学研究提供了新的机遇。由于这种沉浸式环境以实时方式运行，并采用3D输入与显示形式，研究人员可以获得一个完全交互式的纳米尺度仪器²。通过遵循本文所述的实验步骤，可逐步构建出二氧化硅螺旋纳米带。由LAMMPS分子动力学模拟生成的该结构快照如图7所示。该结构随后接受了拉伸性能的模拟测试，模拟结果如动画图1所示，展示了结构在拉伸力作用下的重组过程及最终失效行为。

通过将沉浸式环境的实时交互性和可视化特性与强大的分子动力学模拟¹⁵相结合，研究人员可以获得直观的操作控制和全面的分析功能。

具有分子动力学（MD）功能的增强型3D/VR可视化系统已在加州大学默塞德分校Davila实验室的纳米科学研究中得到全面测试和应用，重点用于非晶二氧化硅纳米线、纳米带和纳米弹簧的拉伸模拟¹⁵。

....

讨论

成功安装和使用3D/VR可视化系统的几个关键要素详见补充材料中的物理环境与设计考虑以及特殊注意事项。重要的安装考虑因素包括：3D显示器的高度应适合长时间站立或坐姿使用时的舒适性；尽可能提高跟踪摄像头的安装高度，以创建较大的3D工作区域；确保跟踪摄像头和3D显示器的支撑结构稳定，以长期维持系统配置；并清除3D工作区域内的红外反射物体。如安装说明中所述，若跟踪摄像头的安装高度受限，则可能需要调整摄像头的朝向，以尽可能扩大3D工作区域。

在配置跟踪软件期间，反射棒捕捉步骤对最终的跟踪精度至关重要。应仔细操作，将反射棒在整个跟踪相机重叠区域内平稳且充分地移动，避免遮挡任何相机或引入其他反射性物体，并根据需要重复此步骤，直至达到所需的误差值。如上文所述，在系统使用过程中，建议在3D眼镜上加装小型遮光罩，以防止跟踪用红外信号与3D同步红外信号相互干扰，同时应使用全新的3D眼镜电池，以最大限度地提高眼镜的3D同步性能。此外，应始终注意避免触碰或改动3D眼镜和Wiimote上的红外反射球体，不得物理移动跟踪相机或3D显示器的位置，.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
三星 61" 支持 3D 的高清 DLP 电视	三星	http://www.samsung.com/us/video/tvs	参见实验方案第 3 节（步骤 3.2） （大尺寸支持 3D 的电视）
外星人 Area51 750i 建模计算机	外星人	http://www.alienware.com	参见实验方案第 1 节（步骤 1.1） （建模计算机）
惠普 EliteBook 8530w 跟踪计算机	惠普	http://www.hp.com	参见实验方案第 2 节（步骤 2.3） （跟踪计算机）
V100:R2 红外跟踪相机（3 台）	Naturalpoint	http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/	参见实验方案第 2 节（步骤 2.1）和参考文献 [4] （跟踪相机）
OptiTrack Tracking Tools 红外跟踪软件	Naturalpoint	http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/	参见实验方案第 2 节（步骤 2.3）和参考文献 [4] （跟踪软件）
3D 眼镜和 3D 电视红外同步发射器	Ilixco	http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html	参见实验方案第 3 节（步骤 3.2）和参考文献 [5] （3D 眼镜）
Wiimote 3D 控制器	Nintendo	http://www.nintendo.com/wii	参见实验方案第 3 节（步骤 3.2） （Wiimote）
VRUI、NCK 及相关 3D/VR 建模软件	开源软件	http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html	参见实验方案第 1 节（步骤 1.3）和参考文献 [1,6] （VRUI、NCK）
LAMMPS 分子动力学软件	开源软件	http://lammps.sandia.gov/	参见实验方案第 5 节（步骤 5.2）和参考文献 [12] （LAMMPS）
NanospringCarver 程序代码和文件	加州大学默塞德分校 - 开源	http://tinyurl.com/qame8dj	参见实验方案第 5 节（步骤 5.4）和参考文献 [16-17] （NanospringCarver）
MATLAB 图形用户界面文件	加州大学默塞德分校 - 开源	http://tinyurl.com/qame8dj	参见实验方案第 5 节（步骤 5.4）和参考文献 [16-17] （NanospringCarver）
原子级块体玻璃输入文件	加州大学默塞德分校 - 开源	http://tinyurl.com/qame8dj	参见实验方案第 5 节（步骤 5.4）和参考文献 [16-17] （NanospringCarver）