Name: Roman 3D / VR environnement interactif pour MD simulations, visualisation et danalyse (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-12-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 29 s
Description: Découvrez une méthode de visualisation 3D/VR interactive pour simuler et analyser des nanostructures en dynamique moléculaire accélérée par GPU. Ce système innovant facilite la recherche en science des matériaux.

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Nous tenons à remercier chaleureusement le Dr Oliver Kreylos de l’Institut d’analyse et de visualisation des données de l’UC Davis pour l’inspiration originale et le soutien considérable qui nous ont été fournis lors de la création de ce système. Ses conseils et son aide ont été essentiels à notre succès.
Nous tenons également à remercier le programme NSF BRIGE d’avoir financé ce projet. Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par la National Science Foundation dans le cadre de la subvention n° 1032653.

<ol><li>Kreylos website, O. Low-Cost VR 3D/VR tutorial. , University of California Davis. Davis, CA. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/LowCostVR/index.html">http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/LowCostVR/index.html</a> (2013).</li>
<li>Doblack, B. N., Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+emergence+of+immersive+low-cost+3D+virtual+reality+environments+for+interactive+learning+in+materials+science+and+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Res.+Soc.+Symp.+Proc%22%5BJournal%5D)">The emergence of immersive low-cost 3D virtual reality environments for interactive learning in materials science and engineering.</a> Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1320, (2011).</li>
<li>Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhancing+materials+research+through+innovative+3D+environments+and+interactive+manuals+for+data+visualization+and+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Res.+Soc.+Symp.+Proc%22%5BJournal%5D)">Enhancing materials research through innovative 3D environments and interactive manuals for data visualization and analysis.</a> Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1472, (2012).</li>
<li>IR tracking camera and software source. , Naturalpoint. U.S.A. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.naturalpoint.com/optitrack">http://www.naturalpoint.com/optitrack</a> (2013).</li>
<li><a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+goggle+source%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">3D goggle source.</a> , Ilixco. U.S.A. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html">http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html</a> (2013).</li>
<li>Kreylos, O. Nanotech Construction Kit. , University of California Davis. Davis, CA. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html">http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html</a> (2013).</li>
<li>Compute Unified Device Architecture (CUDA). , U.S.A. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.nvidia.com/object/cuda_home_new.html">http://www.nvidia.com/object/cuda_home_new.html</a> (2013).</li>
<li>Graphics Processing Unit (GPU) computing. , U.S.A. Available from: <a target="_blank" href="http://www.nvidia.com/object/what-is-gpu-computing.html">http://www.nvidia.com/object/what-is-gpu-computing.html</a> (2013).</li>
<li>GPU applications. , U.S.A. Available from 
 <a target="_blank" href="http://www.nvidia.com/object/gpu-applications.html?mDicS">http://www.nvidia.com/object/gpu-applications.html?mDicS</a> (2013).</li>
<li>“3D/VR Visualization System - Startup and Shutdown Protocol” and “3D/VR Visualization System – CNT Modeling Example” documents. , University of California Merced. Merced, CA. Available from: 
 <a target="_blank" href="https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/3d-vr-visualization-system-dissemination-of-research-results-and-products">https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/3d-vr-visualization-system-dissemination-of-research-results-and-products</a> (2013).</li>
<li>MDCASK molecular dynamics code. , Livermore National Laboratory. Livermore, CA. Available from: 
 <a target="_blank" href="https://asc.llnl.gov/computing_resources/purple/archive/benchmarks/mdcask">https://asc.llnl.gov/computing_resources/purple/archive/benchmarks/mdcask</a> (2013).</li>
<li>LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) molecular dynamics code. , Steve Plimpton. Albuquerque, NM. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://lammps.sandia.gov">http://lammps.sandia.gov</a> (2014).</li>
<li>Feuston, B. P., Garofalini, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Empirical+three-body+potential+for+vitreous+silica%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Empirical three-body potential for vitreous silica.</a> J. Chem. Phys. 89 (9), 5818-5824 (1988).</li>
<li>Dávila, L. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transformations+in+the+medium-range+order+of+fused+silica+under+high+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure.</a> Phys. Rev. Lett. 91 (20), 2055011-2055014 (2003).</li>
<li>Doblack, B. N. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDoblack%2C+BN+%22The+structure+and+properties+of+silica+glass+nanostructures+using+novel+computational+systems%22">The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems</a>. , University of California Merced. Merced, CA. (2013).</li>
<li>NanospringCarver. , University of California Merced. Merced, CA. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products">http://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products</a> (2013).</li>
<li>Meagher, K. A., Doblack, B. N., Ramirez, M., Dávila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scalable+nanohelices+for+predictive+studies+and+enhanced+3D+visualization%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">Scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3D visualization.</a> J. Vis. Exp. In-Press, Forthcoming.</li>
<li>Visualize Molecular Dynamics (VMD). Open source molecular visualization software. , U.S.A. Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd">http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd</a> (2013).</li>
<li>ImageMagick. , U.S.A. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.imagemagick.org">http://www.imagemagick.org</a> (2013).</li>
<li>FFmpeg. Open source multimedia file converter. , U.S.A. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.ffmpeg.org">http://www.ffmpeg.org</a> (2013).</li>
<li>Interactive Molecular Dynamics Simulation. Theoretical and Computational Biophysics Group. , U.S.A. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/imd">http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/imd</a> (2014).</li>
<li>Molecular Control Toolkit. Aquaria: Integrating Sequences, Features, and 3D Structures. , Australia. c2013-2014 Available from: 
 <a target="_blank" href="http://aquaria.ws">http://aquaria.ws</a> (2014).</li>
<li>Nano-D Research Group. Algorithms for Modeling and Simulation of Nanosystems. , France. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://nano-d.inrialpes.fr">http://nano-d.inrialpes.fr</a> (2014).</li>
<li><a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((University+of+California+Television+%28UCTV%29%5BTitle%5D)+AND+%22Our+Digital+Life+series%3A+The+Future%3A+Teaching+and+Life-Saving+Tools+episode%22%5BJournal%5D)">University of California Television (UCTV).</a> Our Digital Life series: The Future: Teaching and Life-Saving Tools episode. , University of California. U.S.A. Available from: <a target="_blank" href="http://www.uctv.tv/search-details.aspx?showID=23734">http://www.uctv.tv/search-details.aspx?showID=23734</a> (2013).</li>
</ol>

Les auteurs déclarent qu&#39;ils ne ont aucun intérêt financier concurrentes.

Éléments essentiels à la réussite de l&#39;installation et l&#39;utilisation du système de visualisation 3D / VR sont détaillées dans l&#39;environnement physique et de conception et de considérations spéciales dans les matériaux supplémentaires. Considérations d&#39;installation importants incluent la hauteur d&#39;affichage 3D pour la commodité de permanent à long terme ou de l&#39;usage assis, maximisés suivi caméra montée hauteur pour créer un grand espace 3D de travail, la caméra d...

La science des matériaux est un domaine interdisciplinaire qui examine les relations structure-propriété dans la matière pour leur application à de nombreux domaines de la science et de l&#39;ingénierie. Comme les relations structure-propriété sont étudiées par des simulations informatiques, en plus de l&#39;expérimentation, des outils informatiques offrent des caractéristiques complémentaires qui peuvent améliorer les efforts de recherche. Alors que les nanomatériaux sont d&#39;intérêt pour les scientifiques et ont une valeur rédemptrice pour leur impact social potentiel, ce régime de taille se heurte à de nombreux défis trouvés notamment dans l&#39;expérimentation. Les simulations informatiques permettent aux scientifiques et ingénieurs d&#39;effectuer des tests spécialisés dans une grande variété d&#39;environnements limités seulement par le temps et les ressources de calcul. Dynamique moléculaire (MD) simulations permettent en temps opportun et des échelles de longueur d&#39;étudier les phénomènes d&#39;intérêt dans de nombreux nanomatériaux. Simulations développer l&#39;étude des matériaux en éliminant les contraintes de til laboratoire de physique, mais de nombreux outils informatiques manquent accessibles, des interfaces intuitives pour la recherche. Amélioration de l&#39;affichage graphique des modèles, algorithmes de calcul efficaces, et l&#39;unité de traitement graphique (GPU) informatique basée compléter les efforts actuels de simulation. Ces nouveaux dispositifs graphiques combinent avec des unités centrales de traitement efficace pour permettre des calculs mathématiques intensifs à accomplir par le GPU. Il en résulte une accélération efficace de calcul de l&#39;ordre de 10x accompagnée d&#39;une réduction de la consommation de puissance allant jusqu&#39;à 20x. Le but de ce projet de recherche était de développer et mettre en œuvre un nouvel outil pour les enquêtes sur les nanosciences qui se connecte directement une interface interactive à des simulations MD, l&#39;analyse en science des matériaux et la visualisation 3D. Ce système innovant avec des capacités uniques et puissantes analyse a été utilisé pour la recherche à l&#39;échelle nanométrique et de l&#39;éducation à l&#39;UC Merced, avec des implications directes à d&#39;autres rel<html> domaines de la tige és tels que la nanotechnologie, la physique, la biologie et la géologie et bénéfice ultime à l&#39;éducation et la société. Le système de visualisation 3D / VR a été mis en œuvre à la fois comme un instrument de recherche et d&#39;enseignement qui permet la création et la manipulation de structures atomiques dans une réalité virtuelle 3D interactive (VR) environnement. Le système a été créé à partir d&#39;un ensemble de coût relativement faible et les composants accessibles suivant le modèle développé à l&#39;origine par le Dr Oliver Kreylos à l&#39;UC Davis 1. Ci-dessous une photo de la mise en page finale 3D / Système de visualisation VR, avec des composants importants marqués (Figure 1). Ce système a été initialement créé à des fins d&#39;éducation à l&#39;UC Merced en 2009. La mise en œuvre du système 3D d&#39;origine / VR a donné lieu à des publications évaluées par les pairs 2-3. Tableau 1 ci-dessous résume les principales caractéristiques pour chaque élément du système de visualisation 3D / VR. MÉNAGEMENT &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figure 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" width="500" /> Figure 1. 3D / Système de visualisation VR et composantes principales (gauche) dans le Laboratoire de recherche Davila à UCM et les dispositifs de visualisation (à droite). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" target="_blank">Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> Article </td><td> Composant </td><td> Fonctionnalité dans le système </td></tr><tr><td> Un </td><td> TV 3D </td><td> Affichage 3D de structures moléculaires modélisées et les menus à l&#39;écran. </td></tr><tr><td> B </td><td> Infrarouge (IR) caméras de suivi 4 </td><td> Caméras IR positions de piste des lunettes de vision Wiimote et 3D dans le mode d&#39;espace de travail en face de la télévision 3D, permettant virTual manipulation 3D des structures affichées. </td></tr><tr><td> C </td><td> Suivi PC </td><td> Exécute IR logiciel de suivi de la caméra et transmet positions de lunettes Wiimote et 3D à l&#39;ordinateur de modélisation. </td></tr><tr><td> Ré </td><td> Wiimote </td><td> Utilisé pour la gestion à l&#39;écran de logiciels de modélisation et de manipuler des structures dans un environnement virtuel en 3D. </td></tr><tr><td> E </td><td> Lunettes 3D 5 </td><td> Synchronisé avec le signal TV 3D IR, permettra vue 3D de la structure. Position suivis par les caméras IR pour vision précise de 3D. </td></tr><tr><td> Fa </td><td> Modélisation PC </td><td> Exécute NCK / VRUI modélisation 3D et l&#39;affichage des logiciels 6, accepte les signaux lunettes / position et de contrôle Wiimote pour créer précise vue 3D de la structure moléculaire. </td></tr></tbody></table> Tableau 1. Fonctionnalité des principaux éléments du système de visualisation 3D / VR au UCM. Description du système de visualisation 3D / VR et composants de base: / VR Visualisation Présentation du système 3D - La 3D / VR Visualization System se compose d&#39;un ensemble de caméras infrarouges et un logiciel de suivi fonctionnant en liaison avec le logiciel de modélisation 3D pour permettre à un utilisateur de créer de façon interactive 3D des structures moléculaires. Les caméras et les logiciels IR suivre la position 3D d&#39;une Wiimote et 3D lunettes de vision en utilisant des marqueurs infrarouges, et passent à présent le logiciel de modélisation. Le logiciel de modélisation utilise les signaux de commande Wiimote et le mouvement pour générer des structures moléculaires 3D visible en utilisant la combinaison d&#39;un grand format de la télévision 3D avec des lunettes 3D synchronisés et à chenilles. Il en résulte un espace de travail 3D réalité virtuelle à l&#39;intérieur de laquelle l&#39;utilisateur peut créer et manipuler dynamiquement les structures moléculaires virtuelles qui reflètent le comportement physique du monde réel sur la base de forces inter-atomiques utilisés dans le logiciel de modélisation (figure 2). Considerati spécialesons pour la mise en place de ce système peut être trouvé dans les matériaux supplémentaires. <img alt="Figure 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" width="500" /> Figure 2. Étude nanomatériaux de silice en utilisant le système de visualisation 3D / VR. (A) Un chercheur crée un modèle de cristobalite initial (cristallin) avant simulations à base de GPU. (B) Lors de l&#39;exécution d&#39;une procédure simulée MD fondre trempe sur le modèle représenté en (a), un autre chercheur obtient un modèle de verre de silice (non cristalline). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" target="_blank">Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> 3D / VR Visualisation Enhancement System - MD Simulation Capability: Dynamique moléculaire des systèmes de simulation sont couramment mises en œuvre dans unMode multi-nodal, ce est une grande charge de travail est distribué ou parallélisée parmi des dizaines de milliers de processeurs. Récemment, des possibilités supplémentaires pour le calcul scientifique accélérée ont surgi sur l&#39;évolution du traitement de l&#39;infographie. Ces progrès incluent une interface logicielle permettant aux scientifiques de profiter de la nature hautement parallèle de la puissance de traitement intrinsèque à puces graphiques. Avec l&#39;avènement de l&#39;Unified Device Architecture Compute ou CUDA 7, les scientifiques peuvent utiliser les GPU 8 pour améliorer la vitesse à laquelle les problèmes sont résolus, tout en réduisant le coût des infrastructures. Un GPU typique peut avoir l&#39;équivalent de centaines de milliers de noyaux ou «nœuds» de traitement des informations, et comme ceux-ci peuvent être utilisés chacun en parallèle, une solution bien codée peut fournir jusqu&#39;à 1,000x accélération débit contre son homologue multi-core . Bien que pas tous les problèmes est bien adapté à cette approche, simulations de DM actuelles ont vu jusqu&#39;à 15x performances débit gagne 9. Détails sur le système de visualisation MD-GPU amélioration 3D / VR peuvent être trouvés dans les matériaux supplémentaires.

<table><tbody><tr><td>Téléviseur DLP haute définition Samsung 61 » compatible 3D</td><td>Samsung</td><td><a href="http://www.samsung.com/us/video/tvs">http://www.samsung.com/us/video/tvs</a></td><td>Voir la section 3 du protocole (étape 3.2)&nbsp ; (Téléviseur grand format compatible 3D)</td></tr><tr><td>Ordinateur de modélisation Alienware Area51 750i</td><td>Alienware</td><td><a href="http://www.alienware.com/">http://www.alienware.com</a></td><td>Voir la section 1 du protocole (étape 1.1)&nbsp ; (Ordinateur de modélisme)</td></tr><tr><td>Ordinateur de suivi HP EliteBook 8530w</td><td>HP</td><<td>a href="http://www.hp.com/">http://www.hp.com</a></td><td>Voir la section 2 du protocole (étape 2.3)&nbsp ; (Ordinateur de suivi)</td></tr><tr><td>V100 :R2 Caméras de suivi IR (3)</td><td>Naturalpoint</td><td><a href="http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/">http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/</a></td><td>Voir la section 2 du protocole (étape 2.1) et la référence [4]&nbsp ; (Caméras de suivi)</td></tr><tr><td>Logiciel de suivi IR</td><td>Naturalpoint</td><td><a href="http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/">http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/</a></td><td>Voir la section 2 du protocole (étape 2.3) et la référence [4]&nbsp ; (Logiciel de suivi)</td></tr><tr><td>Lunettes 3D et émetteur de synchronisation 3D TV IR</td><td>Ilixco</td><td><a href="http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html">http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html</a></td><td>Voir la section 3 du protocole (étape 3.2) et la référence [5]&nbsp ; (lunettes 3D)</td></tr><tr><td>Manette Wiimote 3D</td><td>Nintendo</td><td><a href="http://www.nintendo.com/wii">http://www.nintendo.com/wii</a></td><td>Voir la section 3 du protocole (étape 3.2)&nbsp ; (Wiimote)</td></tr><tr><td>VRUI, NCK et logiciels de modélisation 3D/VR associés</td><td>Logiciels open source</td> <td><a href="http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html">http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html</a></td><td>Voir la section 1 du protocole (étape 1.3) et les références [1,6]&nbsp ; (VRUI, NCK)</td></tr><tr><td>Logiciel de dynamique moléculaire LAMMPS</td><td>Logiciel open source</td><td><a href="http://lammps.sandia.gov/">http://lammps.sandia.gov/&nbsp ; </a></td><td>Voir la section 5 du Protocole (étape 5.2) et la référence [12]&nbsp ; (LAMMPS)</td></tr><tr><td>Code et fichiers du programme NanospringCarver</td><td>UC Merced - open source</td><td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>Voir la section 5 du protocole (étape 5.4) et les références [16-17]&nbsp ; (NanospringCarver)</td></tr><tr><td>Fichiers MATLAB GUI</td><td>UC Merced - open source</td><td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>Voir la section 5 du protocole (étape 5.4) et les références [16-17]&nbsp ; (NanospringCarver)</td></tr><tr><td>Fichier d’entrée atomistique en verre en vrac</td><td>UC Merced - open source</td><td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>Voir la section 5 du protocole (étape 5.4) et les références [16-17]&nbsp ; (NanospringCarver)</td></tr></tbody></table>

roman 3d / vr environnement interactif pour md simulations, visualisation et d&#39;analyse

Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis

Le développement croissant de l&#39;informatique (matériel et logiciel) dans les dernières décennies a eu un impact de la recherche scientifique dans de nombreux domaines, y compris la science des matériaux, la biologie, la chimie et la physique parmi beaucoup d&#39;autres. Un nouveau système de calcul pour la simulation précise et rapide et 3D / VR visualisation des nanostructures est présenté ici, l&#39;aide de l&#39;open-source dynamique moléculaire (MD) programme informatique LAMMPS. Cette méthode de calcul alternatif utilise des processeurs graphiques modernes, la technologie NVIDIA CUDA et codes scientifiques spécialisés pour surmonter les obstacles de vitesse de traitement communs aux méthodes de calcul traditionnelles. En conjonction avec un système de réalité virtuelle utilisée pour modéliser les matériaux, cette amélioration permet l&#39;ajout de capacité de simulation MD accéléré. La motivation est de fournir un environnement de recherche roman qui permet simultanément la visualisation, la simulation, la modélisation et l&#39;analyse. L&#39;objectif de la recherche est d&#39;étudier la structure et les propriétés de l&#39;azote inorganiqueanostructures (par exemple, nanosprings de verre de silice) dans des conditions différentes en utilisant ce système de calcul innovante. Le travail présenté décrit une description du système de visualisation 3D / VR et les composants de base, un aperçu des considérations importantes comme l&#39;environnement physique, de détails sur la configuration et l&#39;utilisation du nouveau système, une procédure générale pour l&#39;amélioration MD accélérée, informations techniques et remarques pertinentes. L&#39;impact de ce travail est la création d&#39;un système informatique unique combinant des matériaux à l&#39;échelle nanométrique simulation, la visualisation et l&#39;interactivité dans un environnement virtuel, qui est à la fois un instrument de recherche et d&#39;enseignement à l&#39;UC Merced.

Cette 3D / VR Visualization System offre de nouvelles possibilités pour la conduite des études de sciences des matériaux. Comme cet environnement immersif fonctionne en temps réel, sous la forme d&#39;entrée et d&#39;affichage 3D, le chercheur est présenté avec un instrument entièrement interactif nanométriques 2. En suivant le protocole présenté ici, un nanoruban hélicoïdal de silice a été créée dans cette étape par étape. Un aperçu de cette structure produite à partir LAMMPS MD est représenté sur la <strong...

Un nouveau système de calcul comprenant une simulation de dynamique moléculaire accélérée par GPU et la visualisation, l’analyse et la manipulation 3D/VR de nanostructures a été mis en œuvre, représentant une nouvelle approche pour faire progresser la recherche sur les matériaux et promouvoir des investigations innovantes et des méthodes alternatives pour en savoir plus sur les structures de matériaux dont les dimensions sont invisibles à l’œil humain.

Roman 3D / VR environnement interactif pour MD simulations, visualisation et d&#39;analyse

The increasing development of computing (hardware and software) in the last decades has impacted scientific research in many fields including materials ...

L'objectif général de cette procédure est de visualiser et d'analyser le comportement tridimensionnel de nanostructures dans le monde réel. Cela est réalisé en créant d'abord un système de visualisation 3D interactif doté de capacités de simulation. La deuxième étape consiste à construire et à étudier des nanostructures 3D dans un environnement interactif.Ensuite, une structure hélicoïdale nanométrique en 3D est préparée à partir d'un matériau massif choisi et le système est utilisé pour effectuer des simulations de traction ou d'autres types de simulations. La dernière étape consiste à visualiser et analyser le comportement atomique tridimensionnel résultant dans le monde réel de la nanostructure. En définitive, le système de visualisation 3D présenté dans cette étude peut être utilisé pour étudier des nanostructures réalistes par des simulations de dynamique moléculaire, ou simulations DM, dans le cadre de recherches sur l'innovation des matériaux.J'ai eu l'idée de cette méthode à l'université de Californie à Davis, lorsque je collaborais avec le Dr. Oliver k Craigo sur l'utilisation de cette technologie pour la recherche et l'apprentissage, particulièrement dans le domaine des sciences des matériaux. La visualisation et l'interaction en 3D sont des outils importants pour l'exploration et l'analyse informatique des matériaux. Nous espérons donc que cet effort aidera d'autres chercheurs à élargir leurs perspectives. Miguel Diaz, étudiant diplômé de mon laboratoire, démontrera davantage cette procédure.Pour commencer, créez un cadre rigide de suspension pour la caméra directement au-dessus du bord avant du téléviseur compatible 3D, près du plafond, afin d'obtenir une couverture optimale. Montez trois caméras infrarouges ou IR sur des supports orientables directement au-dessus des coins avant et du centre avant du téléviseur 3D.Veillez à ce que l'angle de couverture de chaque caméra effleure juste la surface avant du téléviseur. Ensuite, assemblez et configurez le matériel et les logiciels du système de visualisation en réalité virtuelle 3D ou RV 3D comme décrit dans le protocole textuel, placez soigneusement le contrôleur à portée de main depuis l'ordinateur de modélisation, en prenant garde de ne pas toucher ni déplacer les marqueurs sphériques de suivi infrarouge fixés dessus. Placez également les lunettes 3D avec précaution sur le support du téléviseur, en évitant les marqueurs réfléchissants après la configuration supplémentaire.Comme indiqué dans le protocole textuel, ouvrez une fenêtre de terminal comportant plusieurs onglets sur le bureau de l'ordinateur de modélisation situé sur l'ordinateur de suivi. Vérifiez l'adresse IP de l'adaptateur Ethernet en saisissant « IP config » dans une fenêtre de commande sur l'ordinateur de modélisation. Ouvrez un onglet de fenêtre de terminal et vérifiez dans le fichier VR_devices.dot.cfg que le nom du serveur spécifie l'adresse IP de l'adaptateur Ethernet de l'ordinateur de suivi.Laissez le logiciel de l'outil de corps rigide Opti Track s'ouvrir complètement. Cliquez ensuite sur le bouton important situé près du menu supérieur, intitulé charger le résultat de l'étalonnage. Parcourez les dossiers et ouvrez le fichier d'étalonnage des caméras approprié.Une fois le fichier chargé, cliquez sur le menu fichier et sélectionnez charger les définitions du corps rigide. Parcourez et ouvrez le fichier de définition du corps rigide approprié pour le contrôleur suivi et les lunettes 3D dans le volet le plus à droite du logiciel de suivi. Localisez la section intitulée diffusion et développez la section sous la catégorie de diffusion VRPN.Vérifiez que le numéro de port indiqué est 3 8 8 3, puis cochez la case des données de trame diffusée dans la catégorie du moteur de diffusion VRPN sur l'ordinateur de modélisation. Ouvrez un onglet dans la fenêtre de terminal créée précédemment au cours de cette session. Accédez au logiciel démon de périphérique VR et lancez-le.Ensuite, suivez les instructions pour appuyer simultanément sur les boutons un et deux du WiMo. Si l'activité a réussi, la fenêtre affichera désormais « VR device server waiting for client connection » dans la fenêtre du terminal informatique de modélisation créée précédemment. Sélectionnez le troisième onglet pour lancer le logiciel NCK.Accédez au répertoire d'installation de NCK et saisissez la commande indiquée ici ainsi que celle répertoriée dans le protocole textuel en prenant bien soin de ne pas toucher ni desserrer les marqueurs de suivi fixés. Mettez les lunettes 3D et saisissez la manette. Ajustez la position de visionnage des lunettes afin de vous assurer que les lunettes 3D reçoivent le signal de synchronisation émis par l'émetteur infrarouge du téléviseur 3D, permettant ainsi une visualisation en réalité virtuelle 3D de l'écran, ce qui vous donne un ensemble d'outils pour ajouter, déplacer et supprimer des atomes.Attribuez des associations de commandes NCK aux boutons du contrôleur en appuyant d'abord sur le bouton d'accueil de la wiimote et en le maintenant enfoncé, ce qui affiche le menu principal NCK à l'écran. Accédez à l'élément de menu des outils de remplacement et sélectionnez-le, puis relâchez le bouton d'accueil. Cela permet d'attribuer des commandes à différents boutons du contrôleur indépendamment les uns des autres.Pour associer le bouton déclencheur de WiMo à l'action de manipuler les atomes dans NCK, appuyez et maintenez enfoncé le bouton déclencheur. Accédez au menu NCK à l'écran, allez à dragger et sélectionnez dragger à six degrés de liberté avant de relâcher le bouton déclencheur. Le bouton déclencheur est désormais associé à l'action de manipulation des atomes.Pour attribuer la fonction d'ajout d'un atome au bouton plus de la wiimote, faites apparaître le menu principal en appuyant et en maintenant enfoncé le bouton d'accueil. Accédez aux types d'unités structurales et sélectionnez triangle avant de relâcher le bouton d'accueil. Ensuite, appuyez et maintenez enfoncé le bouton plus, puis sélectionnez le déplaceur à six degrés de liberté comme précédemment.Ensuite, relâchez le bouton plus. Le bouton plus est désormais associé à la création de nouveaux atomes du type sélectionné, dans ce cas des atomes de carbone représentés par des triangles. Pour attribuer la fonction de suppression d’un atome au bouton moins de la wiimote, ouvrez le menu principal en appuyant et en maintenant enfoncé le bouton home.Ensuite, accédez aux types d'unités structurales et sélectionnez « supprimer les unités sélectionnées ». Avant de relâcher le bouton d'accueil, appuyez et maintenez enfoncé le bouton moins, puis sélectionnez le dispositif de déplacement à six degrés de liberté comme précédemment. Relâchez ensuite le bouton moins.Le bouton moins est désormais associé à la suppression d'atomes. Suivez une procédure similaire pour attribuer les fonctions de verrouillage des unités sélectionnées au bouton WiMo unique et de déverrouillage des unités sélectionnées au bouton du contrôleur double. Une fois les boutons du contrôleur configurés, créez un nanotube de carbone à l’aide de NCK en utilisant d’abord le bouton plus pour ajouter deux atomes de carbone triangulaires à trois liaisons dans l’espace de travail NCK.Manipulez-les à l'aide du bouton de déclenchement jusqu'à ce qu'ils se rejoignent en un sommet. Ajoutez ensuite quatre atomes de carbone supplémentaires pour créer une forme d'étoile hexagonale. À l'aide du menu principal, accédez aux menus d'entrée-sortie, puis aux unités de sauvegarde, et déplacez la structure à six pointes de sa position actuelle.Utilisez maintenant le menu d'accueil pour accéder de nouveau aux menus entrée-sortie, puis chargez les unités. Répétez les deux dernières étapes jusqu'à ce qu'une feuille hexagonale de six par six, composée d'anneaux de six atomes, ait été créée.À l'aide du bouton de verrouillage, sélectionnez un atome sur la rangée supérieure et un atome opposé sur la rangée inférieure ; les atomes verrouillés seront marqués d'une couleur rose. À l'aide du bouton de déclenchement, déplacez soigneusement l'un des atomes verrouillés selon un arc circulaire jusqu'à ce qu'il se libère. Le sommet s'approche alors du sommet libre de l'autre atome verrouillé opposé.Une fois les atomes correctement assemblés, déverrouillez-les à l’aide du bouton deux. Continuez de manière similaire en verrouillant, assemblant et déverrouillant les sommets opposés de la feuille de carbone. Cela permet effectivement de zipper la feuille pour former un nanotube de carbone final.Importer un modèle cubique initial de dioxyde de silicium cristallin dans le logiciel 3D VR NCK et examiner la structure initiale. Effectuer une procédure simulée de trempe après fusion sur cette structure initialement ordonnée afin d'obtenir une structure de dioxyde de silicium amorphe. Ensuite, importer le nouveau modèle de dioxyde de silicium désordonné résultant dans le logiciel 3D VR NCK et analyser la structure.Créez un dioxyde de silicium, un ressort nano ou un ruban nano à partir du nouveau solide amorphe. Utilisez le code source ouvert, le graveur de ressorts nano et la documentation pédagogique associée. Employez le logiciel de dynamique moléculaire LAMMPS pour effectuer des simulations de traction sur le ressort nano ou le ruban nano, comme décrit ailleurs.Enfin, utilisez les outils logiciels libres pour visualiser la dynamique moléculaire, image magic et FF m peg afin de créer des instantanés et des animations de la nanostructure hélicoïdale tout au long de cette simulation ou présentation dans le système de visualisation 3D en réalité virtuelle. Ce protocole décrit ici montre comment créer un système de laboratoire intégré permettant des simulations atomistiques haute performance et une visualisation 3D interactive des nanostructures. À l’aide du système de visualisation 3D en réalité virtuelle, des nanostructures complexes telles qu’un nanotube de carbone avec un comportement atomique réaliste peuvent être construites et étudiées.Un ruban nano-hélicoïdal en silice a ensuite été créé et soumis à des charges de traction simulées, et les résultats de la simulation ont été visualisés en trois dimensions afin d'étudier la transformation structurale et la rupture de la nanostructure sous ces conditions de traction. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez être en mesure d'analyser et de visualiser le comportement de tout modèle de nanostructure à l'aide d'un système de visualisation 3D comme celui que nous possédons en laboratoire.

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