新颖的3D / VR互动环境MD模拟，可视化和分析
2014年12月18日
一种新的计算系统已经实现，该系统具有 GPU 加速的分子动力学模拟和 3D/VR 可视化、分析和作纳米结构，代表了一种推进材料研究的新方法，并促进了创新研究和替代方法，以了解人眼不可见尺寸的材料结构。
该程序的总体目标是可视化和分析三维真实世界的纳米结构行为。这是通过首先创建具有仿真功能的交互式 3D 可视化系统来实现的。第二步是在交互式环境中构建和研究 3D 纳米结构。
接下来，从选定的块状材料制备 3D 纳米螺旋结构，并使用该系统进行拉伸或其他模拟。最后一步是可视化和分析纳米结构的最终 3D 真实世界原子行为。最终，这项工作中的 3D 可视化系统可用于通过分子动力学或 MD 模拟研究逼真的纳米结构，以进行材料创新研究。
早在加州大学戴维斯分校，我就萌生了这种方法的想法，当时我与 Oliver k Craigo 博士合作，将这项技术用于研究和学习，特别是在材料science. 3D可视化和交互领域是计算探索和分析材料的重要工具。因此，我们希望这项努力将帮助其他人进一步证明该程序的是我实验室的研究生 Miguel Diaz。
首先，在支持 3D 的电视前边缘正上方靠近天花板的地方创建一个刚性摄像头悬架框架，以获得最佳覆盖。安装三个，红外或红外。旋转支架上的摄像机位于 3D 电视前角和前中央的正上方。
确保每个摄像头的覆盖角度刚好擦过电视的正面。接下来，按照文本协议中的说明组装和配置 3D 虚拟现实或 3D VR 可视化系统的设备和软件，小心地将控制器放置在建模计算机可以轻松到达的地方，注意不要触摸或移动连接到它的球形红外跟踪标记。还要小心地将 3D 护目镜放在电视柜上，避免在额外设置后出现反光标记。
如文本协议中所述，在跟踪计算机的建模计算机桌面上打开一个包含多个选项卡的终端窗口。通过在建模计算机的命令窗口中键入 IP config 来验证以太网适配器 IP 地址。打开终端窗口选项卡，并在 VR devices dot cfg 文件中检查服务器名称是否指定了跟踪计算机上的跟踪计算机以太网适配器 IP 地址。
允许 opti track 刚体工具软件完全打开。然后单击顶部菜单附近标有 Load calibration result 的大按钮。浏览并打开相应的相机校准文件。
加载文件后，单击文件菜单并选择 load rigid body definitions。在跟踪软件最右侧的窗格中浏览并打开跟踪控制器和 3D 护目镜的相应刚体定义文件。找到标记为 streaming 的部分，然后展开 VRPN streaming 类别下的部分。
验证列出的端口号是否为 3 8 8 3，并选中建模计算机上 VRPN 流式处理引擎类别中的广播帧数据框。在此会话之前创建的终端窗口中显示一个选项卡。导航到并启动 VR 设备恶魔软件。
接下来，按照提示同时按下 WiMo 上的按钮 1 和 2。如果活动成功，该窗口现在将显示 VR 设备服务器，等待在先前创建的建模计算机终端窗口中进行客户端连接。选择第三个选项卡以启动 NCK 软件。
导航到 NCK 安装目录并键入此处显示的命令，并在文本协议中列出，非常小心，不要触摸或松开附加的跟踪标记。戴上 3D 护目镜并拿起控制器。调整头部护目镜的观看位置，以确保 3D 护目镜接收 3D TV IR 发射器同步信号，允许 3D VR 观看电视显示，以便设置添加、移动和删除原子的工具。
首先按住 wiimote 主页按钮，将 NCK 命令关联分配给控制器上的按钮，这将调出 NCK 主屏幕菜单。导航到并选择 override tools （覆盖工具） 菜单项，然后松开 home （主页） 按钮。这允许将命令分配给控制器上的不同按钮，彼此独立。
要将 WiMo 触发按钮与在 NCK 中纵原子的作相关联，请按住触发按钮。将屏幕上的 NCK 菜单导航到 dragger，然后选择 6 自由度 dragger，然后释放触发器。触发器现在与纵原子的作相关联。
要将添加原子的功能分配给 wiimote 上的加号按钮，请按住 home 按钮调出主菜单。导航到 structural unit types 并选择 triangle ，然后松开 Home 按钮。接下来按住加号按钮并像以前一样选择六个 DOF 拖动器。
然后松开加号按钮。加号按钮现在与创建在本例中选择的类型的新原子相关联，即由三角形表示的碳原子。要将删除原子的功能分配给 wiimote 上的减号按钮，请按住 home 按钮调出主菜单。
然后导航到 Structural Unit types 并选择 Delete selected units。在松开主页按钮之前，按住减号按钮并像以前一样选择六个 DOF 拖动器。然后松开减号按钮。
减号按钮现在与删除原子相关联。按照类似的步骤，将锁定选定设备的功能分配给一个 WiMo 按钮，并将选定设备解锁到两个控制器按钮。配置控制器按钮后，首先使用加号按钮将两个三键三角形碳原子添加到 NCK 工作区，从而使用 NCK 创建碳纳米管。
使用触发器按钮纵这些对象，直到它们在顶点处连接。然后再添加四个碳原子，形成一个六边形的星形。使用主菜单，导航到 input output menus（输入输出菜单），然后保存单位，将六角结构从其当前位置移开。
现在使用主菜单再次导航到输入输出菜单，然后加载单位。重复最后两个步骤，直到形成 6 x 6 的六边形。已经创建了六个原子环。
使用一键锁，顶行中有一个原子，底行中有一个相反的原子，锁定的原子将用粉红色标记。使用触发按钮，小心地将其中一个锁定的原子沿圆弧移动，直到其释放。Vertex 接近对面锁定的 Adam 的自由顶点。
成功加入后，使用两个按钮解锁两个原子。继续以类似方式锁定、连接和解锁碳片中的相对顶点。有效地将片材拉成最终的碳纳米管。
将初始晶体二氧化硅隔间模型导入 3D VR NCK 软件并研究初始结构。对这个初始有序结构运行模拟熔融淬火程序，以产生非晶态二氧化硅结构。然后将生成的新无序二氧化硅模型导入 3D VR NCK 软件并研究结构。
用新的无定形固体创建二氧化硅、纳米弹跳或纳米带。使用开源代码、nano springing carver 和相关指导文档。使用灯分子动力学包对纳米或纳米带进行拉伸模拟，如其他地方报道的那样。
最后，使用开源软件工具，可视化分子动力学、图像魔术和 FF m 钉，在整个模拟过程中创建螺旋纳米结构的快照和动画，或在 3D VR 可视化系统中进行演示。此处概述的该协议演示了如何为纳米结构的高性能原子模拟和交互式 3D 可视化创建集成实验室系统。使用 3D VR 可视化系统，可以构建和研究复杂的纳米结构，例如具有真实原子行为的碳纳米管。
然后创建二氧化硅螺旋纳米带并承受模拟拉伸载荷，并将模拟结果以三维方式可视化，以研究纳米结构在这种拉伸条件下的结构转变和失效。观看此视频后，您应该能够使用 3D 可视化系统（如我们在实验室中的系统）分析和可视化任何纳米结构模型的行为。
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概览
本文介绍了一个新型计算系统，该系统将GPU加速的分子动力学模拟与3D/VR可视化相结合，用于分析纳米结构。该系统旨在通过提供创新的方法来探索纳米尺度的材料结构，从而增强材料研究。
关键研究组成部分
科学领域
- 材料科学
- 纳米技术
- 计算建模
背景
- 理解纳米结构对于推进材料研究至关重要。
- 传统方法可能无法有效地可视化纳米尺度现象。
- 3D可视化可以提供对材料行为的更深入洞察。
- GPU加速增强了模拟能力。
研究目的
- 可视化和分析3D纳米结构的行为。
- 创建一个模拟纳米结构的交互环境。
- 对准备好的纳米螺旋结构进行模拟。
使用的方法
- 开发交互式3D可视化系统。
- 从散装材料构建3D纳米结构。
- 对纳米结构进行拉伸和其他模拟。
- 模拟后的原子行为可视化和分析。
主要结果
- 该系统成功可视化了3D纳米结构。
- 模拟提供了对纳米尺度材料行为的洞察。
- 交互式功能增强了用户的参与度和理解。
- 结果支持材料研究中的创新方法。
结论
- 3D可视化系统是材料创新的宝贵工具。
- 它促进了对纳米结构的现实调查。
- 未来的研究可以在此系统的基础上进行进一步的进展。
常见问题
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
