רומן 3D / VR הסביבה אינטראקטיבית לMD סימולציות, ויזואליזציה וניתוח
December 18th, 2014
יושמה מערכת חישובית חדשה הכוללת סימולציה של דינמיקה מולקולרית מואצת GPU והדמיה, ניתוח ומניפולציה של ננו-מבנים בתלת מימד/VR, המייצגת גישה חדשה לקידום מחקר חומרים ולקידום חקירה חדשנית ושיטות חלופיות ללמידה על מבני חומרים עם ממדים בלתי נראים לעין האנושית.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לדמיין ולנתח התנהגות ננו-מבנים תלת מימדית בעולם האמיתי. זה מושג על ידי יצירת מערכת הדמיה תלת מימדית אינטראקטיבית עם יכולת סימולציה. השלב השני הוא בנייה וחקירה של מבני ננו תלת מימדיים בסביבה האינטראקטיבית.
לאחר מכן, מכינים מבנה ננו סלילי תלת מימדי מחומר בתפזורת נבחר והמערכת משמשת לביצוע סימולציות מתיחה או אחרות. השלב האחרון הוא הדמיה וניתוח של ההתנהגות האטומית התלת-ממדית בעולם האמיתי של מבנה הננו. בסופו של דבר, מערכת ההדמיה התלת מימדית בעבודה זו יכולה לשמש לחקירת מבני ננו מציאותיים באמצעות דינמיקה מולקולרית או סימולציות MD לקראת מחקר חדשנות בחומרים.
היה לי את הרעיון לגבי השיטה הזו עוד באוניברסיטת קליפורניה בדייוויס כאשר שיתפתי פעולה עם ד"ר אוליבר ק קרייגו על השימוש בטכנולוגיה זו למחקר ולמידה במיוחד בתחום החומר science. 3D הדמיה ואינטראקציה הם כלים חשובים לחקירה וניתוח של חומרים באופן חישובי. לכן אנו מקווים שהמאמץ הזה יעזור לאחרים להתרחב עוד יותר מדגים את ההליך הזה מיגל דיאז, סטודנט לתואר שני מהמעבדה שלי.
כדי להתחיל, צור מסגרת מתלה מצלמה קשיחה ישירות מעל הקצה הקדמי של הטלוויזיה התלת-ממדית ליד התקרה לכיסוי הטוב ביותר. הר שלוש, אינפרא אדום או IR. מצלמות מסתובבות מותקנות ישירות מעל הפינות הקדמיות והמרכז הקדמי של טלוויזיית התלת מימד.
ודא שזווית הכיסוי של כל מצלמה רק תופסת את המשטח הקדמי של הטלוויזיה. לאחר מכן, הרכיבו והגדירו את הציוד והתוכנה עבור המציאות המדומה התלת מימדית או מערכת הדמיית VR תלת מימדית כמתואר בפרוטוקול הטקסט, מקמו בזהירות את הבקר במקום בו ניתן להגיע אליו בקלות ממחשב הדוגמנות, והקפידו לא לגעת או להזיז את סמני המעקב הכדוריים המחוברים אליו. כמו כן, הנח בזהירות את משקפי התלת מימד על מעמד הטלוויזיה, הימנע מהסמנים הרפלקטיביים לאחר התקנה נוספת.
כמפורט בפרוטוקול הטקסט, פתח חלון מסוף עם מספר כרטיסיות בשולחן העבודה של מחשב הדוגמנות במחשב המעקב. אמת את כתובת ה-IP של מתאם ה-Ethernet על-ידי הקלדת תצורת IP בחלון פקודה במחשב הדוגמנות. פתח כרטיסיית חלון מסוף ובדוק בתוך התקני ה-VR dot cfg file ששם השרת מציין את כתובת ה-IP של מתאם ה-Ethernet של מחשב המעקב במחשב המעקב.
אפשר לתוכנת כלי הגוף הקשיח של opti track להיפתח לחלוטין. לאחר מכן לחץ על הכפתור הגדול ליד התפריט העליון שכותרתו תוצאת כיול עומס. דפדף אל קובץ כיול המצלמה המתאים ופתח אותו.
לאחר טעינת הקובץ, לחץ על תפריט הקובץ ובחר טען הגדרות גוף קשיח. דפדף ופתח את קובץ הגדרת הגוף הקשיח המתאים עבור בקר המעקב ומשקפי התלת-ממד בחלונית הימנית ביותר של תוכנת המעקב. אתר את המקטע שכותרתו סטרימינג והרחיב את המקטע תחת קטגוריית הסטרימינג של VRPN.
ודא שמספר היציאה הרשום הוא 3 8 8 3 וסמן את תיבת נתוני מסגרת השידור בתוך קטגוריית מנוע הסטרימינג VRPN במחשב המידול. יש להציג כרטיסיה בחלון הטרמינל שנוצר מוקדם יותר בהפעלה זו. נווטו אל תוכנת השדים של מכשיר ה-VR והפעילו אותה.
לאחר מכן, עקוב אחר ההנחיה כדי ללחוץ על כפתורים 1 ו-2 ב-WiMo בו-זמנית. אם הפעילות הצליחה, החלון יציג כעת שרת התקן VR הממתין לחיבור לקוח בתוך חלון מסוף מחשב הדוגמנות שנוצר קודם לכן. בחר את הכרטיסייה השלישית כדי להפעיל את תוכנת NCK.
נווט אל ספריית ההתקנה של NCK והקלד את הפקודה המוצגת כאן וגם רשומה בפרוטוקול הטקסט תוך הקפדה רבה לא לגעת או לשחרר את סמני המעקב המצורפים. הרכיבו משקפי תלת מימד והרימו את הבקר. התאימו את מיקום הצפייה של משקפי הראש כדי להבטיח שמשקפי תלת-ממד מקבלים אות סנכרון פולט IR של טלוויזיית תלת-ממד, מה שמאפשר צפייה בתלת-ממד ב-VR בתצוגת הטלוויזיה כדי להגדיר כלים להוספה, הזזה ומחיקה של אטומים.
הקצה אסוציאציות פקודות NCK ללחצנים בבקר על ידי לחיצה ממושכת תחילה על כפתור הבית של wiimote, שמעלה את התפריט הראשי של NCK על המסך. נווט אל פריט התפריט כלי דריסה ובחר בו, ולאחר מכן שחרר את לחצן הבית. זה מאפשר הקצאת פקודות ללחצנים שונים בבקר ללא תלות זה בזה.
כדי לשייך את כפתור ההדק של WiMo לפעולת מניפולציה של אטומים בתוך NCK, לחץ והחזק את לחצן ההדק. נווט בתפריט NCK שעל המסך כדי לגרור ובחר גורר שש דרגות חופש לפני שחרור ההדק. הטריגר קשור כעת לפעולת המניפולציה של האטומים.
כדי להקצות את הפונקציה של הוספת אטום לכפתור הפלוס ב-wiimote, העלה את התפריט הראשי על ידי לחיצה ממושכת על כפתור הבית. נווט אל סוגי יחידות מבניות ובחר משולש לפני שחרור כפתור הבית. לאחר מכן, לחץ והחזק את כפתור הפלוס ובחר שישה גוררי DOF כמו קודם.
לאחר מכן שחרר את לחצן הפלוס. כפתור הפלוס קשור כעת ליצירת אטומים חדשים מהסוג שנבחר במקרה זה, אטומי פחמן המיוצגים על ידי משולשים. כדי להקצות את הפונקציה של מחיקת אטום לכפתור המינוס ב-wiimote, העלה את התפריט הראשי על ידי לחיצה ממושכת על כפתור הבית.
לאחר מכן נווט אל סוגי יחידות מבניות ובחר מחק יחידות שנבחרו. לפני שחרור כפתור הבית, לחץ והחזק את כפתור המינוס ובחר שישה גוררי DOF כמו קודם. לאחר מכן שחרר את לחצן המינוס.
כפתור המינוס משויך כעת למחיקת אטומים. בצע הליך דומה כדי להקצות את הפונקציות של נעילת יחידות נבחרות ללחצן WiMo אחד וביטול נעילת יחידות נבחרות ללחצן שני הבקר. לאחר הגדרת כפתורי הבקר, צור צינור ננו פחמן באמצעות NCK על ידי שימוש תחילה בכפתור הפלוס כדי להוסיף שני אטומי פחמן משולשים שלושה קשרים לסביבת העבודה של NCK.
תפעל אותם באמצעות כפתור ההדק עד שהם מצטרפים לקודקוד. לאחר מכן הוסיפו עוד ארבעה אטומי פחמן כדי ליצור צורת כוכב משושה. באמצעות תפריט הבית, נווט לתפריטי פלט קלט ולאחר מכן כדי לשמור יחידות, הרחק את מבנה ששת הקצוות ממיקומו הנוכחי.
כעת השתמש בתפריט הבית כדי לנווט שוב לתפריטי פלט קלט ולאחר מכן לטעון יחידות. חזור על שני השלבים האחרונים עד לדף משושה של שש על שש. נוצרו שש טבעות אטום.
באמצעות נעילת כפתור אחד, אטום אחד בשורה העליונה ואטום נגדי בשורה התחתונה, האטומים הנעולים יסומנו בצבע ורוד. בעזרת כפתור ההדק, הזז בזהירות את אחד האטומים הנעולים בקשת מעגלית עד שהוא חופשי. קודקוד מתקרב לקודקוד החופשי של אדם הנעול הנגדי.
לאחר ההצטרפות בהצלחה, פתח את שני האטומים באמצעות שני הכפתורים. המשך לנעול, לחבר ולפתוח קודקודים מנוגדים ביריעת הפחמן. רוכסן ביעילות את היריעה לתוך צינור ננו פחמן סופי.
ייבא מודל תא סיליקון דו חמצני גבישי ראשוני לתוכנת 3D VR NCK וחקור את המבנה הראשוני. הפעל הליך מרווה מדומה של התכה על מבנה מסודר ראשוני זה כדי לייצר מבנה צורן דו חמצני אמורפי. לאחר מכן ייבא את מודל הסיליקון הדו-חמצני החדש שנוצר לתוכנת 3D VR NCK וחקור את המבנה.
צור צורן דו-חמצני, ננו קפיץ או סרט ננו מתוך המוצק האמורפי החדש. שימוש בקוד הקוד הפתוח, קפיצי ננו ומסמכי הדרכה נלווים. השתמש בחבילת הדינמיקה המולקולרית של המנורות כדי לבצע סימולציות מתיחה על סרט הננו או הננו כפי שדווח במקום אחר.
לבסוף, השתמש בכלי תוכנת הקוד הפתוח, דמיין דינמיקה מולקולרית, קסם תמונה ויתד FF m כדי ליצור תמונות ואנימציה של מבנה הננו הסליל לאורך סימולציה או מצגת זו במערכת הדמיה תלת מימדית VR. פרוטוקול זה המתואר כאן מדגים כיצד ליצור מערכת מעבדה משולבת לסימולציה אטומיסטית בעלת ביצועים גבוהים והדמיה תלת מימדית אינטראקטיבית של ננו-מבנים. באמצעות מערכת ההדמיה התלת-ממדית VR, ניתן לבנות ולחקור מבנים ננו-מורכבים כגון צינור ננו פחמן עם התנהגות אטומית בעולם האמיתי.
לאחר מכן נוצר סרט ננו סליל סיליקה ונתון לעומסי מתיחה מדומים, ותוצאות הסימולציה הודגמו בתלת מימד כדי לחקור את הטרנספורמציה המבנית והכישלון של מבנה הננו בתנאי מתיחה כאלה. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להיות מסוגל לנתח ולדמיין כל התנהגות של מודל ננו-מבנה באמצעות מערכת הדמיה תלת מימדית כמו זו שיש לנו במעבדה.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
סקירה
מאמר זה מציג מערכת חישובית חדשנית המשלבת סימולציה מואצת GPU של דינמיקה מולקולרית עם הדמיה בתלת-ממד/VR לניתוח ננו-מבנים. המערכת נועדה לשפר את מחקר החומרים על ידי מתן שיטות חדשניות לחקר מבני חומרים ברמת הננו.
מרכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- מדע החומרים
- ננוטכנולוגיה
- מודלים חישוביים
רקע
- הבנת ננו-מבנים היא חיונית לקידום מחקר חומרים.
- שיטות מסורתיות עשויות שלא לדמיין ביעילות תופעות ברמת הננו.
- הדמיה בתלת-ממד יכולה לספק תובנות עמוקות יותר על התנהגות החומרים.
- האצת GPU משפרת את יכולות הסימולציה.
מטרת המחקר
- לדמיין ולנתח את התנהגותם של ננו-מבנים תלת-ממדיים.
- ליצור סביבה אינטראקטיבית לסימולציה של ננו-מבנים.
- לבצע סימולציות על מבני ננו סליליים מוכנים.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- פיתוח מערכת הדמיה תלת-ממדית אינטראקטיבית.
- בניית ננו-מבנים תלת-ממדיים מחומרים גסים.
- ביצוע סימולציות מתיחה ואחרות על ננו-מבנים.
- הדמיה וניתוח של התנהגות אטומית לאחר הסימולציה.
תוצאות עיקריות
- המערכת מדמיינת בהצלחה ננו-מבנים תלת-ממדיים.
- הסימולציות מספקות תובנות על התנהגות החומרים ברמת הננו.
- התכונות האינטראקטיביות משפרות את ההשתתפות וההבנה של המשתמשים.
- התוצאות תומכות בגישות חדשניות במחקר חומרים.
מסקנות
- מערכת ההדמיה התלת-ממדית היא כלי חשוב לחדשנות בחומרים.
- היא מאפשרת חקירות ריאליסטיות של ננו-מבנים.
- מחקר עתידי יכול לבנות על מערכת זו לקידום נוסף.
שאלות נפוצות
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
