MDシミュレーションのための新しい3D / VRインタラクティブな環境、可視化と分析

この手順の全体的な目的は、実世界のナノ構造の挙動を3次元的に可視化し、分析することです。まず、シミュレーション機能を備えたインタラクティブな3D可視化システムを構築することでこれを実現します。次に、そのインタラクティブな環境内で3Dナノ構造を構築し、調査します。

次に、選択したバルク材料から3Dナノヘリカル構造を作製し、このシステムを用いて引張試験などのシミュレーションを行います。最終ステップでは、得られたナノ構造の3D実世界における原子論的な挙動を可視化および解析します。最終的に、本研究における3D可視化システムは、材料革新研究に向けた分子動力学（MD）シミュレーションによる現実的なナノ構造の調査に活用することが可能です。

この手法についてのアイデアは、カリフォルニア大学デービス校にいた頃、材料科学の分野における研究および学習への本技術の活用について、Oliver K. Craigo博士と共同研究を行っていた際に得たものです。3D可視化とインタラクションは、計算による材料の探索と解析において重要なツールとなります。したがって、この取り組みが他の方々のさらなる発展に寄与することを願っております。本手順のデモンストレーションは、私の研究室の大学院生であるMiguel Diazが行います。

まず、最高のカバレッジを得るために、天井付近の3D対応テレビの前端の直上に、剛性のあるカメラ吊り下げフレームを作成します。3台の赤外線（IR）カメラをスイベルマウントに取り付け、3Dテレビの前方両角と前方中央の直上に設置します。

各カメラのカバー範囲がテレビの前面にわずかに重なるように調整します。次に、テキストプロトコルに従って3D仮想現実（3D VR）可視化システムの機器とソフトウェアを組み立て、設定します。コントローラーをモデリング用コンピュータから容易に手の届く場所に慎重に配置し、そのに取り付けられた球状のIRトラッキングマーカーに触れたり、動かしたりしないように注意してください。また、追加設定後の反射マーカーへの干渉を避けるため、3Dゴーグルをテレビスタンドの上に慎重に置きます。

テキストプロトコルに詳しく記載されている通り、トラッキング用コンピュータ上のモデリング用コンピュータのデスクトップで、複数のタブを開いたターミナルウィンドウを起動します。モデリング用コンピュータのコマンドウィンドウで IP config と入力し、イーサネットアダプタの IP アドレスを確認してください。ターミナルウィンドウのタブを開き、トラッキング用コンピュータ上の VR devices.cfg ファイル内で、サーバー名にトラッキング用コンピュータのイーサネットアダプタの IP アドレスが指定されていることを確認します。

OptiTrackリジッドボディツールソフトウェアを完全に起動させます。次に、トップメニュー付近にある「load calibration result」と表示された大きなボタンをクリックします。適切なカメラキャリブレーションファイルを選択して開いてください。

ファイルが読み込まれた後、ファイルメニューをクリックし、リジッドボディ定義の読み込みを選択します。トラッキングソフトウェアの右端のペインで、追跡対象のコントローラーおよび3Dゴーグルに適したリジッドボディ定義ファイルをブラウズして開きます。「streaming」と表記されたセクションを探し、「VRPN streaming」カテゴリーの下にあるセクションを展開します。

記載されているポート番号が3 8 8 3であることを確認し、モデリング用コンピュータのVRPNストリーミングエンジンカテゴリ内にあるブロードキャストフレームデータのボックスを確認してください。本セッションで先に作成したターミナルウィンドウでタブを開きます。VRデバイスデーモンソフトウェアに移動し、それを起動してください。

次に、WiMoのボタン1と2を同時に押すよう指示に従います。操作が成功すると、先に作成したモデリング用コンピュータのターミナルウィンドウに、「VR device server waiting for client connection」と表示されます。3番目のタブを選択し、NCKソフトウェアを起動してください。

NCKのインストールディレクトリに移動し、ここに表示され、またテキストプロトコルにも記載されているコマンドを入力します。その際、取り付けられているトラッキングマーカーに触れたり、緩めたりしないよう細心の注意を払ってください。3Dゴーグルを装着し、コントローラーを持ちます。3Dゴーグルが3D TVのIRエミッター同期信号を受信し、TVディスプレイの3D VR表示が可能になるよう、ヘッドゴーグルの視聴位置を調整します。これにより、原子の追加、移動、削除を行うためのツールセットが使用可能になります。

まずWiimoteのホームボタンを押し続けると、NCKのメインオンスクリーンメニューが表示されます。そこから「override tools」メニュー項目に移動して選択し、ホームボタンを離します。これにより、コントローラー上の異なるボタンにコマンドを個別に割り当てることができます。

WiMoのトリガーボタンをNCK内での原子操作に関連付けるには、トリガーボタンを押し続けます。画面上のNCKメニューからdraggerへ移動し、トリガーを離す前にsix degree of freedom draggerを選択してください。これで、トリガーが原子を操作するアクションに関連付けられました。

Wiimoteのプラスボタンに原子を追加する機能を割り当てるには、ホームボタンを押し続けてメインメニューを表示させます。構造ユニットタイプに移動して「triangle」を選択し、ホームボタンを離します。次に、プラスボタンを押し続け、先ほどと同様に「six DOF dragger」を選択します。

次にプラスボタンを離します。これでプラスボタンは、今回選択したタイプ、つまり三角形で表される炭素原子の新しい原子を作成することに関連付けられました。Wiimoteのマイナスボタンに原子を削除する機能を割り当てるには、ホームボタンを長押ししてメインメニューを表示させます。

次に、「structural unit types」に移動し、「delete selected units」を選択します。ホームボタンを離す前に、マイナスボタンを長押しし、先ほどと同様に「six DOF dragger」を選択します。その後、マイナスボタンを離します。

マイナスボタンは、原子の削除に割り当てられました。同様の手順に従い、「選択したユニットのロック」機能をWiMoボタン1に、「選択したユニットのロック解除」機能をコントローラーボタン2に割り当てます。コントローラーボタンの設定が完了したら、まずプラスボタンを使用して、NCKワークスペースに3本の結合を持つ三角形の炭素原子を2つ追加し、NCKを用いてカーボンナノチューブを作成します。

トリガーボタンを使用してこれらを操作し、頂点で接するようにします。次に、さらに4つの炭素原子を追加して、六角形の星型を作成します。ホームメニューから入出力メニューに進み、「ユニットを保存（save units）」を選択して、この6つの頂点を持つ構造を現在の位置から移動させます。

次に、ホームメニューを使用して再度入出力メニューに移動し、「load units」を選択します。6×6の六角形6原子環のシートが作成されるまで、最後の2つの手順を繰り返します。

1つのロックボタンを使用して、上段の1つの原子と下段の対向する1つの原子を選択すると、ロックされた原子がピンク色で表示されます。トリガーボタンを使用して、ロックされた原子の1つが解放されるまで、円弧を描くように注意深く移動させます。頂点が、対向してロックされている原子の自由な頂点に近づきます。

正常に結合したら、2つのボタンを使用して両方の原子のロックを解除します。同様に、カーボンシートの対向する頂点のロック、結合、および解除を繰り返します。これにより、シートをジッパーのように閉じることで、最終的なカーボンナノチューブが形成されます。

結晶質二酸化ケイ素の初期立方体モデルを3D VR NCKソフトウェアにインポートし、初期構造を調査します。この初期の秩序構造に対して模擬的なメルトクエンチ法を行い、アモルファス二酸化ケイ素構造を生成します。その後、得られた新しい無秩序な二酸化ケイ素モデルを3D VR NCKソフトウェアにインポートし、その構造を調査します。

新しく得られたアモルファス固体から、二酸化ケイ素のナノスプリングまたはナノリボンを作製します。オープンソースコードであるnano springing carverおよび関連する指導文書を使用してください。他の報告にある通り、LAMMPS分子動力学パッケージを用いて、ナノスプリングまたはナノリボンの引張シミュレーションを実施します。

最後に、オープンソース ソフトウェア ツールの visualize molecular dynamics、image magic、および FF m peg を使用して、本シミュレーション全体におけるヘリカルナノ構造のスナップショットおよびアニメーションを作成するか、または 3D VR 可視化システムでプレゼンテーションを行います。ここで概説したプロトコルは、高性能な原子レベルシミュレーションとナノ構造のインタラクティブな 3D 可視化のための統合ラボシステムの構築方法を示すものです。3D VR 可視化システムを用いることで、現実世界の原子挙動を伴うカーボンナノチューブなどの複雑なナノ構造を構築し、調査することが可能です。

シリカらせん状ナノリボンを作成し、擬似的な引張荷重を負荷しました。そして、このような引張条件下におけるナノ構造の構造変換と破断を調査するため、シミュレーション結果を3次元的に可視化しました。このビデオを視聴することで、当研究室で使用しているような3D可視化システムを用いて、あらゆるナノ構造モデルの挙動を分析および可視化できるようになります。