Neuartige 3D / VR Interaktiv Raum für MD-Simulationen, Visualisierung und Analyse

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, das dreidimensionale Verhalten von Nanostrukturen in der realen Welt zu visualisieren und zu analysieren. Dies wird erreicht, indem zunächst ein interaktives 3D-Visualisierungssystem mit Simulationsfunktion erstellt wird. Der zweite Schritt ist die Konstruktion und Untersuchung von 3D-Nanostrukturen in der interaktiven Umgebung.

Als nächstes wird eine 3D-Nano-Helix-Struktur aus einem ausgewählten Schüttgut hergestellt und das System zur Durchführung von Zug- oder anderen Simulationen verwendet. Der letzte Schritt ist die Visualisierung und Analyse des resultierenden atomistischen Verhaltens der Nanostruktur in der realen 3D-Welt. Letztendlich kann das 3D-Visualisierungssystem in dieser Arbeit zur Untersuchung realistischer Nanostrukturen mittels Molekulardynamik oder MD-Simulationen für die Materialinnovationsforschung verwendet werden.

Ich hatte die Idee zu dieser Methode bereits an der UC Davis, als ich mit Dr. Oliver k Craigo an der Nutzung dieser Technologie für Forschung und Lernen zusammenarbeitete, insbesondere im Bereich der Material science. 3D Visualisierung und Interaktion wichtige Werkzeuge für die Erforschung und Analyse von Materialien sind. Wir hoffen also, dass diese Bemühungen anderen helfen werden, sich zu erweitern. Ein weiterer Demokrat dieses Verfahren wird von Miguel Diaz, einem Doktoranden aus meinem Labor, demonstriert.

Erstellen Sie zunächst einen starren Kameraaufhängungsrahmen direkt über der Vorderkante des 3D-fähigen Fernsehers in der Nähe der Decke, um eine optimale Abdeckung zu erzielen. Montierung drei, Infrarot oder IR. Kameras an schwenkbaren Halterungen direkt über den vorderen Ecken und der vorderen Mitte des 3D-Fernsehers.

Stellen Sie sicher, dass der Abdeckungswinkel jeder Kamera nur die Vorderseite des Fernsehgeräts streift. Montieren und konfigurieren Sie als Nächstes die Ausrüstung und Software für das 3D-Virtual-Reality- oder 3D-VR-Visualisierungssystem, wie im Textprotokoll beschrieben, platzieren Sie den Controller vorsichtig an einer Stelle, an der er vom Modellierungscomputer aus leicht erreichbar ist, und achten Sie darauf, die daran befestigten sphärischen IR-Tracking-Marker nicht zu berühren oder zu bewegen. Platzieren Sie die 3D-Brille auch vorsichtig auf dem TV-Ständer und vermeiden Sie die reflektierenden Markierungen nach einer zusätzlichen Aufstellung.

Öffnen Sie, wie im Textprotokoll beschrieben, ein Terminalfenster mit mehreren Registerkarten auf dem Desktop des Modellierungscomputers auf dem Tracking-Computer. Überprüfen Sie die IP-Adresse des Ethernet-Adapters, indem Sie IP config in ein Befehlsfenster auf dem Modellierungscomputer eingeben. Öffnen Sie eine Registerkarte im Terminalfenster und überprüfen Sie in der dot-cfg-Datei der VR-Geräte, ob der Servername die IP-Adresse des Ethernet-Adapters des Tracking-Computers auf dem Tracking-Computer angibt.

Lassen Sie die opti track Starrkörper-Werkzeugsoftware vollständig öffnen. Klicken Sie dann auf die große Schaltfläche neben dem oberen Menü mit der Bezeichnung Lastkalibrierungsergebnis. Navigieren Sie zur entsprechenden Kamerakalibrierungsdatei, und öffnen Sie sie.

Nachdem die Datei geladen wurde, klicken Sie auf das Menü Datei, und wählen Sie Steifkörperdefinitionen laden aus. Navigieren Sie zur entsprechenden Steifkörper-Definitionsdatei für den verfolgten Controller und die 3D-Brille im rechten Bereich der Tracking-Software, und öffnen Sie sie. Suchen Sie den Abschnitt mit der Bezeichnung Streaming und erweitern Sie den Abschnitt unter der Kategorie VRPN-Streaming.

Vergewissern Sie sich, dass die angegebene Portnummer 3 8 8 3 lautet, und aktivieren Sie das Kontrollkästchen für die Broadcast-Frame-Daten in der Kategorie VRPN-Streaming-Engine auf dem Modellierungscomputer. Rufen Sie eine Registerkarte im Terminalfenster auf, die Sie zuvor in dieser Sitzung erstellt haben. Navigieren Sie zur Dämonensoftware für VR-Geräte und starten Sie sie.

Folgen Sie anschließend der Anweisung, um die Tasten eins und zwei am WiMo gleichzeitig zu drücken. Wenn die Aktivität erfolgreich war, zeigt das Fenster nun den VR-Geräteserver an, der innerhalb des zuvor erstellten Terminalfensters des Modellierungscomputers auf eine Clientverbindung wartet. Wählen Sie die dritte Registerkarte aus, um die NCK-Software zu starten.

Navigieren Sie in das NCK-Installationsverzeichnis und geben Sie den hier gezeigten und auch im Textprotokoll aufgeführten Befehl ein, wobei Sie sehr darauf achten sollten, die beigefügten Tracking-Marker nicht zu berühren oder zu lösen. Setzen Sie eine 3D-Brille auf und nehmen Sie den Controller in die Hand. Passen Sie die Betrachtungsposition der Kopfbrille an, um sicherzustellen, dass die 3D-Brille ein 3D-TV-IR-Emitter-Synchronisationssignal empfängt, was die 3D-VR-Anzeige des TV-Displays ermöglicht, um ein Werkzeugset zum Hinzufügen, Verschieben und Löschen von Atomen zu haben.

Weisen Sie den Tasten auf dem Controller NCK-Befehlszuordnungen zu, indem Sie zuerst die Wiimote-Home-Taste gedrückt halten, um das NCK-Hauptmenü auf dem Bildschirm aufzurufen. Navigieren Sie zum Menüelement Überschreibungstools, wählen Sie es aus, und lassen Sie dann die Home-Taste los. Dies ermöglicht die Zuweisung von Befehlen an verschiedene Tasten auf der Steuerung unabhängig voneinander.

Um die WiMo-Auslösetaste mit der Aktion der Manipulation von Atomen in NCK zu verknüpfen, halten Sie die Auslösetaste gedrückt. Navigieren Sie im NCK-Menü auf dem Bildschirm zum Ziehen und wählen Sie den Zieher mit sechs Freiheitsgraden aus, bevor Sie den Auslöser loslassen. Der Auslöser ist nun mit der Manipulation der Atome verbunden.

Um der Plus-Taste auf der Wiimote die Funktion des Hinzufügens eines Atoms zuzuweisen, rufen Sie das Hauptmenü auf, indem Sie die Home-Taste gedrückt halten. Navigieren Sie zu Struktureinheitentypen, und wählen Sie Dreieck aus, bevor Sie die Starttaste loslassen. Halten Sie anschließend die Plus-Taste gedrückt und wählen Sie wie zuvor sechs DOF-Dragger aus.

Lassen Sie dann die Plus-Taste los. Die Plus-Schaltfläche ist nun mit der Erstellung neuer Atome des in diesem Fall ausgewählten Typs verknüpft, wobei Kohlenstoffatome durch Dreiecke dargestellt werden. Um die Funktion zum Löschen eines Atoms der Minus-Taste auf der Wiimote zuzuweisen, rufen Sie das Hauptmenü auf, indem Sie die Home-Taste gedrückt halten.

Navigieren Sie dann zu Struktureinheitentypen, und wählen Sie Ausgewählte Einheiten löschen aus. Bevor Sie die Home-Taste loslassen, halten Sie die Minus-Taste gedrückt und wählen Sie wie zuvor den Dragger mit sechs Freiheitsgraden aus. Lassen Sie dann die Minus-Taste los.

Die Minus-Schaltfläche ist jetzt mit dem Löschen von Atomen verbunden. Gehen Sie auf ähnliche Weise vor, um die Funktionen zum Sperren ausgewählter Einheiten auf die eine WiMo-Taste und zum Entsperren ausgewählter Einheiten auf die beiden Controller-Tasten zuzuweisen. Nachdem die Controller-Tasten konfiguriert wurden, erstellen Sie mit NCK eine Kohlenstoffnanoröhre, indem Sie zuerst die Plus-Taste verwenden, um dem NCK-Arbeitsbereich zwei dreieckige Kohlenstoffatome mit drei Bindungen hinzuzufügen.

Bearbeiten Sie diese mit der Auslösetaste, bis sie sich an einem Scheitelpunkt verbinden. Füge dann vier weitere Kohlenstoffatome hinzu, um eine sechseckige Sternform zu erhalten. Navigieren Sie über das Home-Menü zu den Eingabe-Ausgabe-Menüs, und verschieben Sie dann zum Speichern von Einheiten die sechszackige Struktur von ihrer aktuellen Position weg.

Navigieren Sie nun über das Home-Menü erneut zu den Eingabe-Ausgabe-Menüs und dann zu den Ladeeinheiten. Wiederholen Sie die letzten beiden Schritte, bis ein sechs mal sechs Blatt Sechseck entsteht. Es wurden sechs Atomringe erstellt.

Mit der Ein-Knopf-Sperre, einem Atom in der oberen Reihe und einem gegenüberliegenden Atom in der unteren Reihe werden die gesperrten Atome mit einer rosa Farbe markiert. Bewegen Sie mit dem Auslöseknopf vorsichtig eines der gesperrten Atome in einem Kreisbogen, bis es frei ist. Der Scheitelpunkt nähert sich dem freien Scheitelpunkt des gegenüberliegenden gesperrten Adam.

Sobald sie erfolgreich verbunden sind, entsperren Sie beide Atome mit den beiden Tasten. Fahren Sie auf ähnliche Weise mit dem Sperren, Verbinden und Entriegeln von gegenüberliegenden Eckpunkten im Kohleblech fort. Effektives Einzippen des Blechs in ein endgültiges Kohlenstoffnanoröhrchen.

Importieren Sie ein erstes Modell der kristallinen Siliziumdioxid-Kabine in die 3D-VR-NCK-Software und untersuchen Sie die anfängliche Struktur. Führen Sie ein simuliertes Schmelzabschreckverfahren für diese anfänglich geordnete Struktur durch, um eine amorphe Siliziumdioxidstruktur herzustellen. Importieren Sie dann das resultierende neue ungeordnete Siliziumdioxid-Modell in die 3D-VR-NCK-Software und untersuchen Sie die Struktur.

Stellen Sie aus dem neuen amorphen Festkörper ein Siliziumdioxid, eine Nanofederung oder ein Nanoband her. Unter Verwendung des Open-Source-Codes, des Nanofederschnitzers und der zugehörigen Anleitungsdokumentation. Verwenden Sie das Molekulardynamik-Paket der Lampen, um Zugsimulationen auf dem Nano- oder Nanoband durchzuführen, wie an anderer Stelle berichtet

Verwenden Sie schließlich die Open-Source-Softwaretools, visualisieren Sie Molekulardynamik, Bildmagie und FF m peg, um Schnappschüsse und Animationen der helikalen Nanostruktur während dieser Simulation oder Präsentation im 3D-VR-Visualisierungssystem zu erstellen. Dieses hier skizzierte Protokoll zeigt, wie ein integriertes Laborsystem für die hochleistungsfähige atomistische Simulation und interaktive 3D-Visualisierung von Nanostrukturen erstellt werden kann. Mit dem 3D-VR-Visualisierungssystem können komplexe Nanostrukturen wie z.B. eine Kohlenstoffnanoröhre mit realem atomarem Verhalten konstruiert und untersucht werden.

Anschließend wurde ein spiralförmiges Siliziumdioxid-Nanoband erzeugt und simulierten Zugbelastungen ausgesetzt, und die Ergebnisse der Simulation wurden in drei Dimensionen visualisiert, um die strukturelle Umwandlung und das Versagen der Nanostruktur unter solchen Zugbedingungen zu untersuchen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie in der Lage sein, das Verhalten von Nanostrukturmodellen mit einem 3D-Visualisierungssystem zu analysieren und zu visualisieren, wie wir es im Labor haben.