Novela 3D / VR Interactivo Medio Ambiente para MD simulaciones, visualización y análisis

El objetivo general de este procedimiento es visualizar y analizar el comportamiento tridimensional de nanoestructuras en el mundo real. Esto se logra primero creando un sistema de visualización tridimensional interactivo con capacidad de simulación. El segundo paso consiste en construir e investigar nanoestructuras tridimensionales en el entorno interactivo.

A continuación, se prepara una estructura helicoidal nano 3D a partir de un material macizo elegido y se utiliza el sistema para realizar simulaciones de tracción u otras simulaciones. El paso final consiste en visualizar y analizar el comportamiento atómico tridimensional resultante en el mundo real de la nanoestructura. En última instancia, el sistema de visualización 3D presentado en este trabajo puede utilizarse para investigar nanoestructuras realistas mediante dinámica molecular o simulaciones MD, con miras a la investigación en innovación de materiales.

Tuve la idea de este método durante mi tiempo en UC Davis, cuando colaboraba con el Dr. Oliver K. Craigo en el uso de esta tecnología para la investigación y el aprendizaje, específicamente en el campo de la ciencia de materiales. La visualización y la interacción en 3D son herramientas importantes para la exploración y el análisis computacional de materiales. Por lo tanto, esperamos que este esfuerzo ayude a otros a ampliar aún más sus conocimientos. Este procedimiento será demostrado por Miguel Díaz, un estudiante de posgrado de mi laboratorio.

Para comenzar, cree un marco rígido de suspensión para la cámara directamente encima del borde frontal del televisor con capacidad 3D, cerca del techo, para obtener la mejor cobertura. Monte tres cámaras infrarrojas o IR en soportes giratorios directamente encima de las esquinas frontales y del centro frontal del televisor 3D.

Asegúrese de que el ángulo de cobertura de cada cámara apenas roce la superficie frontal del televisor. A continuación, ensamble y configure el equipo y el software del sistema de visualización en realidad virtual 3D o RV 3D según se describe en el protocolo escrito, coloque cuidadosamente el controlador en un lugar al que se pueda acceder fácilmente desde la computadora de modelado, teniendo cuidado de no tocar ni mover los marcadores de seguimiento infrarrojo esféricos sujetos a este. También coloque con cuidado las gafas 3D sobre el soporte del televisor, evitando los marcadores reflectantes tras la configuración adicional.

Como se detalla en el protocolo escrito, abra una ventana de terminal con varias pestañas en el escritorio del ordenador de modelado situado en el ordenador de seguimiento. Verifique la dirección IP del adaptador Ethernet escribiendo IP config en una ventana de comandos en el ordenador de modelado. Abra una pestaña de ventana de terminal y compruebe dentro del archivo VR devices dot cfg que el nombre del servidor especifique la dirección IP del adaptador Ethernet del ordenador de seguimiento en el ordenador de seguimiento.

Permita que el software de la herramienta de cuerpo rígido de Opti Track se abra completamente. Luego, haga clic en el botón grande cerca del menú superior etiquetado como cargar resultado de calibración. Busque y abra el archivo de calibración de cámara adecuado.

Después de cargar el archivo, haga clic en el menú de archivo y seleccione cargar definiciones de cuerpo rígido. Busque y abra el archivo de definición de cuerpo rígido adecuado para el controlador rastreado y las gafas 3D en el panel derecho del software de rastreo. Localice la sección etiquetada como transmisión y expanda la sección bajo la categoría de transmisión VRPN.

Verifique que el número de puerto indicado sea 3 8 8 3, y marque la casilla de datos del marco de difusión dentro de la categoría del motor de transmisión VRPN en el ordenador de modelado. Abra una pestaña en la ventana de terminal creada anteriormente en esta sesión. Navegue hasta el software demonio del dispositivo VR e inícielo.

A continuación, siga la indicación para presionar simultáneamente los botones uno y dos en el WiMo. Si la actividad fue exitosa, la ventana mostrará ahora el servidor del dispositivo de RV esperando la conexión del cliente dentro de la ventana del terminal del ordenador de modelado creada previamente. Seleccione la tercera pestaña para iniciar el software NCK.

Navegue hasta el directorio de instalación de NCK y escriba el comando que se muestra aquí y que también se enumera en el protocolo de texto, teniendo mucho cuidado de no tocar ni aflojar los marcadores de seguimiento adjuntos. Póngase las gafas 3D y tome el controlador. Ajuste la posición de visualización de las gafas para asegurarse de que reciban la señal de sincronización del emisor de infrarrojos del televisor 3D, lo que permitirá la visualización en 3D de la pantalla del televisor para tener un conjunto de herramientas que permita agregar, mover y eliminar átomos.

Asigne asociaciones de comandos NCK a los botones del controlador presionando primero y manteniendo pulsado el botón de inicio del wiimote, lo que muestra el menú principal de NCK en pantalla. Navegue hasta seleccionar la opción del menú de herramientas de anulación y luego suelte el botón de inicio. Esto permite asignar comandos a diferentes botones del controlador de forma independiente entre sí.

Para asociar el botón desencadenante de WiMo con la acción de manipular átomos dentro de NCK, presione y mantenga presionado el botón desencadenante. Navegue por el menú de NCK en pantalla hasta dragger y seleccione dragger de seis grados de libertad antes de soltar el botón. Ahora el botón está asociado con la acción de manipular los átomos.

Para asignar la función de agregar un átomo al botón más del wiimote, active el menú principal presionando y manteniendo pulsado el botón de inicio. Navegue hasta tipos de unidades estructurales y seleccione triángulo antes de soltar el botón de inicio. A continuación, presione y mantenga pulsado el botón más y seleccione el controlador de seis grados de libertad como antes.

Luego suelte el botón más. El botón más ahora está asociado con la creación de nuevos átomos del tipo seleccionado, en este caso átomos de carbono representados por triángulos. Para asignar la función de eliminar un átomo al botón menos del wiimote, abra el menú principal presionando y manteniendo pulsado el botón de inicio.

Luego, navegue hasta los tipos de unidades estructurales y seleccione eliminar unidades seleccionadas. Antes de soltar el botón de inicio, presione y mantenga pulsado el botón menos y seleccione el controlador de seis grados de libertad como antes. A continuación, suelte el botón menos.

El botón de menos ahora está asociado con la eliminación de átomos. Siga un procedimiento similar para asignar la función de bloquear unidades seleccionadas al botón WiMo único y desbloquear unidades seleccionadas al botón del controlador doble. Una vez que los botones del controlador hayan sido configurados, cree un nanotubo de carbono utilizando NCK, usando primero el botón de más para agregar dos átomos de carbono triangulares con tres enlaces al área de trabajo de NCK.

Manipule estos utilizando el botón de activación hasta que se unan en un vértice. Luego agregue cuatro átomos de carbono más para crear una forma de estrella hexagonal. Utilizando el menú principal, navegue hasta los menús de entrada y salida y luego hasta las unidades de guardado; mueva la estructura de seis puntas lejos de su posición actual.

Ahora use el menú principal para navegar nuevamente a los menús de entrada y salida y luego cargue las unidades. Repita los últimos dos pasos hasta que se haya creado una hoja de seis por seis de anillos hexagonales de seis átomos.

Usando el botón de bloqueo único, un átomo en la fila superior y un átomo opuesto en la fila inferior, los átomos bloqueados se marcarán con color rosa. Usando el botón de activación, mueva cuidadosamente uno de los átomos bloqueados en un arco circular hasta que quede libre. El vértice se acerca al vértice libre del átomo bloqueado opuesto.

Una vez que los átomos se hayan unido con éxito, desbloquee ambos átomos utilizando el botón dos. Continúe de manera similar bloqueando, uniendo y desbloqueando vértices opuestos en la hoja de carbono. De este modo, cierre la hoja formando efectivamente un nanotubo de carbono final.

Importe un modelo inicial cúbico de dióxido de silicio cristalino al software 3D VR NCK e investigue la estructura inicial. Ejecute un procedimiento simulado de fusión y enfriamiento rápido sobre esta estructura ordenada inicial para producir una estructura de dióxido de silicio amorfa. Luego, importe el nuevo modelo de dióxido de silicio desordenado resultante al software 3D VR NCK e investigue la estructura.

Cree un resorte nano o cinta nano de dióxido de silicio a partir del nuevo sólido amorfo. Utilice el código abierto, el tallador de resortes nano y la documentación instructiva asociada. Use el paquete de dinámica molecular lamps para realizar simulaciones de tracción en el resorte nano o la cinta nano, como se ha reportado anteriormente.

Finalmente, utilice herramientas de software de código abierto, visualice la dinámica molecular, image magic y FFmpeg para crear instantáneas y animaciones de la nanoestructura helicoidal a lo largo de esta simulación o presentación en el sistema de visualización 3D de realidad virtual. Este protocolo descrito aquí demuestra cómo crear un sistema de laboratorio integrado para simulaciones atómicas de alto rendimiento y visualización 3D interactiva de nanoestructuras. Mediante el sistema de visualización 3D de realidad virtual, se pueden construir e investigar nanoestructuras complejas, como un nanotubo de carbono con comportamiento atómico realista.

Se ha creado entonces una nano-cinta de sílice con forma helicoidal y se le han aplicado cargas de tracción simuladas, y los resultados de la simulación se han visualizado en tres dimensiones para investigar la transformación estructural y la falla de la nanoestructura bajo tales condiciones de tracción. Después de ver este video, usted debería ser capaz de analizar y visualizar el comportamiento de cualquier modelo de nanoestructura utilizando un sistema de visualización 3D como el que tenemos en el laboratorio.