רומן 3D / VR הסביבה אינטראקטיבית לMD סימולציות, ויזואליזציה וניתוח

המטרה הכוללת של פרוצדורה זו היא להדמיות ולנתח התנהגות של ננו-מבנים תלת-ממדיים בעולם האמיתי. דבר זה מושג תחילה על ידי יצירת מערכת ויזואליזציה תלת-ממדית אינטראקטיבית בעלת יכולת סימולציה. השלב השני הוא בנייה ובדיקה של ננו-מבנים תלת-ממדיים בסביבה האינטראקטיבית.

בשלב הבא, מבנה ננו-ספירלי בתלת-ממד מכין מחומר גלם נבחר, והמערכת משמשת לביצוע סימולציות של מתיחה או סימולציות אחרות. השלב הסופי הוא ויזואליזציה וניתוח של ההתנהגות האטומית תלת-ממדית שהתקבלה של הננו-מבנה בעולם האמיתי. בסופו של דבר, ניתן להשתמש במערכת הוויזואליזציה התלת-ממדית בעבודה זו לחקירת ננו-מבנים ריאליסטיים באמצעות דינמיקה מולקולרית או סימולציות MD לצורך מחקר לפיתוח חומרים חדשניים.

הרעיון לשיטה זו עלה בראשי עוד בלימודיי ב-UC Davis, כאשר שיתפתי פעולה עם ד"ר Oliver K. Craigo בנוגע לשימוש בטכנולוגיה זו למחקר וללמידה, ובמיוחד בתחום מדע החומרים. ויזואליזציה ותفاعل בתלת-ממד הם כלים חשובים לחקירה וניתוח חישובי של חומרים. לכן, אנו מקווים שמאמץ זה יעזור לאחרים להתרחב בתחומים אלו. את הדגמת הפרוצדורה יבצע מיגל דיאז, סטודנט לתואר מתקדם מהמעבדה שלי.

כדי להתחיל, צרו מסגרת תלייה קשיחה למצלמות ישירות מעל הקצה הקדמי של הטלוויזיה התומכת בתלת-ממד, קרוב לתקרה, כדי להשיג את הכיסוי המיטבי. התקינו שלוש מצלמות אינפרא-אדום (IR) על תושבות מסתובבות ישירות מעל הפינות הקדמיות ובמרכז הקדמי של טלוויזיית התלת-ממד.

יש לוודא שזווית הכיסוי של כל מצלמה נושקת בקושי למשטח הקדמי של הטלוויזיה. לאחר מכן, הרכיבו והגדירו את הציוד והתוכנה עבור מערכת הוויזואליזציה של המציאות המדומה התלת-ממדית (3D VR) כפי שמתואר בפרוטוקול הטקסט, והניחו בזהירות את הבקר במקום שניתן להגיע אליו בקלות ממחשב המידול, תוך הקפדה לא לגעת במסמני המעקב האינפרא-אדומים (IR) הכדוריים המחוברים אליו ולא להזיזם. כמו כן, הניחו בזהירות את משקפי ה-3D על מעמד הטלוויזיה, והימנעו מהמסמנים המחזירי אור בעקבות הגדרה נוספת.

כפי שפורט בפרוטוקול הכתוב, פתח חלון טרמינל עם מספר לשוניות בשולחן העבודה של מחשב המידול במחשב המעקב. ודא את כתובת ה-IP של מתאם ה-ethernet על ידי הקלדת IP config בחלון פקודה במחשב המידול. פתח לשונית בחלון הטרמינל ובדוק בתוך הקובץ VR devices dot cfg ששם השרת מציין את כתובת ה-IP של מתאם ה-ethernet של מחשב המעקב במחשב המעקב.

המתן עד שתוכנת כלי הגוף הקשיח של OptiTrack תיפתח במלואה. לאחר מכן, לחץ על הכפתור הגדול ליד התפריט העליון המסומן "load calibration result". דפדף אל קובץ כיול המצלמה המתאים ופתח אותו.

לאחר טעינת הקובץ, לחץ על תפריט הקבצים ובחר בטעינת הגדרות גוף קשיח (load rigid body definitions). דפדף אל קובץ הגדרות הגוף הקשיח המתאים עבור הבקר הנעקב והמשקפיים התלת-ממדיים ופתח אותו בחלונית הימנית ביותר של תוכנת המעקב. אתר את הסעיף המסומן כ-streaming והרחב את הסעיף תחת קטגוריית VRPN streaming.

ודא שמספר הפורט הרשום הוא 3 8 8 3, וסמן את תיבת הנתונים של פריימי השידור (broadcast frame data) תחת קטגוריית מנוע הזרמת ה-VRPN במחשב המידול. פתח לשונית בחלון הטרמינל שנוצר קודם לכן במושב זה. נווט אל תוכנת ה-VR device demon והפעל אותה.

בשלב הבא, פעלו לפי ההנחיה ולחצו בו-זמנית על כפתורים אחת ושתיים ב-WiMo. אם הפעולה הצליחה, בחלון הטרמינל של מחשב המידול שנוצר קודם לכן תוצג כעת ההודעה VR device server waiting for client connection. בחרו בלשונית השלישית כדי להפעיל את תוכנת ה-NCK.

נווט לספריית ההתקנה של ה-NCK והקלד את הפקודה המוצגת כאן וכן זו המופיעה בפרוטוקול הטקסט, תוך הקפדה רבה לא לגעת במסמני המעקב המחוברים או להרפית אותם. הרכב משקפי תלת-מימד ודלק את הבקר. כוונן את מיקום הצפייה של משקפי הראש כדי להבטיח שמשקפי התלת-מימד מקבלים את אות הסנכרון של פולט ה-IR של טלוויזיית התלת-מימד, מה שמאפשר צפייה ב-3D VR בתצוגת הטלוויזיה על מנת להשתמש בסט כלים להוספה, העברה ומחיקה של אטומים.

הקצה שיוכי פקודות NCK לכפתורים בשלט על ידי לחיצה ממושכת תחילה על כפתור הבית (home) ב-wiimote, פעולה העומדת בתפריט ה-NCK הראשי על המסך. נווט אל פריט התפריט override tools ובחר בו, ולאחר מכן שחרר את כפתור הבית. פעולה זו מאפשרת הקצאה של פקודות לכפתורים שונים בשלט באופן עצמאי זה מזה.

כדי לקשר את כפתור ההדק של ה-WiMo לפעולת המניפולציה של אטומים ב-NCK, לחצו והחזיקו את כפתור ההדק. נווטו בתפריט ה-NCK שעל המסך ל-dragger ובחרו ב-six degree of freedom dragger לפני שחרור ההדק. כעת כפתור ההדק מקושר לפעולת המניפולציה של האטומים.

כדי להקצות את הפעולה של הוספת אטום לכפתור הפלוס ב-wiimote, העלו את התפריט הראשי על ידי לחיצה ממושכת על כפתור הבית. נווטו לסוגי יחידות מבניות ובחרו במשולש לפני שחרור כפתור הבית. לאחר מכן, לחצו לחיצה ממושכת על כפתור הפלוס ובחרו ב-six DOF dragger כפי שנעשה קודם לכן.

לאחר מכן שחררו את כפתור הפלוס. כפתור הפלוס מקושר כעת ליצירת אטומים חדשים מהסוג שנבחר במקרה זה, אטומי פחמן המיוצגים על ידי משולשים. כדי להקצות את הפונקציה של מחיקת אטום לכפתור המינוס בשלט ה-wiimote, העלו את התפריט הראשי על ידי לחיצה ממושכת על כפתור הבית.

לאחר מכן, נווטו לסוגי יחידות מבניות ובחרו במחיקת היחידות שנבחרו. לפני שחרור כפתור הבית, לחצו והחזיקו את כפתור המינוס ובחרו ב-six DOF dragger כפי שנעשה קודם לכן. לאחר מכן, שחררו את כפתור המינוס.

כפתור המינוס מקושר כעת למחיקת אטומים. בצעו הליך דומה כדי להקצות את הפונקציות של נעילת יחידות נבחרות לכפתור WiMo אחד, ושחרור נעילת יחידות נבחרות לכפתור הבקר השני. לאחר הגדרת כפתורי הבקר, צרו ננו-צינור פחמן באמצעות NCK, תחילה על ידי שימוש בכפתור הפלוס כדי להוסיף שני אטומי פחמן משולשים בעלי שלושה קשרים למרחב העבודה של ה-NCK.

תמרנו אותם באמצעות כפתור ההפעלה עד אשר יתחברו בקודקוד. לאחר מכן, הוסיפו ארבעה אטומי פחמן נוספים כדי ליצור צורה של כוכב משושה. באמצעות תפריט הבית, נווטו לתפריטי קלט-פלט (input output) ולאחר מכן לשמירת יחידות (save units), והזיזו את המבנה בעל ששת הקודקודים ממיקומו הנוכחי.

כעת השתמשו בתפריט הבית כדי לנווט שוב לתפריטי הקלט והפלט (input output menus) ולאחר מכן ליחידות טעינה (load units). חזרו על שני השלבים האחרונים עד שייווצר גיליון של 6 על 6 טבעות משושאות המורכבות משישה אטומים כל אחת.

בעזרת כפתור הנעילה הבודד, נעילה של אטום אחד בשורה העליונה ואטום נגדי בשורה התחתונה תסומן בצבע ורוד. בעזרת כפתור ההפעלה, הזיזו בזהירות את אחד האטומים הנעולים בקשת מעגלית עד שיהיה חופשי. הקדק מתקרב לקדק החופשי של האטום הנעול הנגדי.

לאחר החיבור המוצלח, שחררו את שני האטומים באמצעות הכפתור הכפול. המשיכו באופן דומה בנעילה, חיבור ושחרור של קודקודים נגדיים בגיליון הפחמן. פעולה זו סוגרת את הגיליון בצורה של רוכסן לכדי ננו-צינור פחמן סופי.

ייבאו מודל ראשוני של קובייה из סיליקה גבישית לתוכנת ה-3D VR NCK ובחנו את המבנה הראשוני. בצעו הליך סימולציית קירור מהיר (melt quench) על מבנה מסודר זה כדי להפיק מבנה סיליקה אמורפי. לאחר מכן, ייבאו את מודל הסיליקה הבלתי-מסודר שהתקבל לתוכנת ה-3D VR NCK ובחנו את המבנה.

צור קפיץ ננומטרי או ננו-סרט של סיליקון דיאוקסיד מהמוצק האמורפי החדש. השתמש בקוד הפתוח, בתוכנת ה-nano springing carver ובתיעוד ההדרכה הנלווה. השתמש בחבילת הדינמיקה המולקולרית LAMMPS כדי לבצע סימולציות מתיחה על הקפיץ הננומטרי או על הננו-סרט, כפי שדווח במקורות אחרים.

לבסוף, השתמשו בכלי התוכנה בקוד פתוח, visualize molecular dynamics, image magic ו-FF m peg כדי ליצור תצלומיות ואנימציה של הננו-מבנה הספירלי לאורך סימולציה זו או להצגה במערכת הוויזואליזציה ב-3D VR. פרוטוקול זה, כפי שפורט כאן, מדגים כיצד ליצור מערכת מעבדה משולבת לסימולציה אטומיסטית בביצועים גבוהים וויזואליזציה אינטראקטיבית בתלת-ממד של ננו-מבנים. באמצעות מערכת הוויזואליזציה ב-3D VR, ניתן לבנות ולחקור ננו-מבנים מורכבים, כגון ננו-צינור פחמן, בעלי התנהגות אטומית המדמה את העולם האמיתי.

לאחר מכן נוצר ננו-סרט סיליקה ספירלי אשר הועמד תחת עומסי מתיחה סימולטיביים, ותוצאות הסימולציה הוצגו בתלת-ממד כדי לבחון את הטרנספורמציה המבנית ואת הכשל של הננו-מבנה בתנאי מתיחה אלו. לאחר צפייה בסרטון זה, תוכלו לנתח ולהדמיות את התנהגותו של כל מודל ננו-מבני באמצעות מערכת ויזואליזציה בתלת-ממד בדומה לזו שבמעבדה שלנו.