Roman 3D / VR environnement interactif pour MD simulations, visualisation et d'analyse

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.