Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-12-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 29 s
Description: 学ぶGPU加速分子動力学シミュレーションと3D/VR可視化を統合した新しい計算システム。ナノ構造の挙動をインタラクティブに分析し、材料科学研究の革新に貢献します。

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私たちは、このシステムの作成に向けて、カリフォルニア大学デービス校データ分析・視覚化研究所のオリバー・クレイロス博士から提供された最初のインスピレーションと広範な支援に感謝したいと思います。 彼のアドバイスと援助は、私たちの成功に役立ちました。
このプロジェクトに資金を提供してくださったNSF BRIGEプログラムにも感謝したいと思います。 この資料は、助成金第1032653号に基づいて全米科学財団が支援する研究に基づいています。

<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>

著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言。

3D / VR可視化システムの正常なインストールと使用における重要な要素は、 物理環境と設計上の考慮事項および補足資料の特別な考慮事項に詳述されている。重要なインストールの考慮事項は、快適な長期的な地位や着席使用のための3D表示の高さが含まれ、カメラに搭載時間をかけて構成を維持するために大規模な3D作業領域、安定したトラッキングカメラと3D表示のサポートを作成するために、高さ、およびIR-反射要素の除去を追跡最大化3D作業領域から。インストール手順で述べたように、利用可能な追跡カメラの取付高さが制約されている場合には、代替のカメラの向きが最大の3D作業領域を作成する必要があるかもしれない。 追跡ソフトウェアの構成時に、杖捕捉工程は、最終的な追跡精度のために重要である。注意反射ワンドトールを移動する注意が必要oughlyとスムーズに追跡カメララップエリア全体で必要なエラー値が達成されるまで、必要に応じてこの手順を繰り返して、任意のカメラを遮断するか、任意の二次反射物を導入することなく。上記のセクションで述べたように...

材料科学は、科学や工学の多くの分野への応用のための問題で構造 - 特性の関係を調べ、学際的な分野である。構造 - 特性関係は実験に加えて、計算機シミュレーションにより検討した結果、計算ツールは、研究活動を強化することができる補完的な機能を提供します。ナノ材料科学者に関心のものであり、その潜在的な社会的影響のための欠点を補う価値がありますが、このサイズの体制は、特に実験で見つかった多くの課題をはらんでいる。 コンピュータシミュレーションは、科学者やエンジニアが唯一の時間と計算リソースによって制限された環境の多種多様な専門的なテストを実行することができます。分子動力学（MD）シミュレーションは、適切な時間と長さは、多くのナノ材料への関心の現象を研究するためにスケールできるように。シミュレーションは、tの制約を除去することにより、材料の研究を拡大する彼は、しかし、多くの計算ツールは、研究のためにアクセス可能な、直感的なインターフェイスを物理研究室が不足している。モデルのグラフィック表示、効率的な計算アルゴリズム、およびグラフィカル処理ユニット（GPU）ベースのコンピューティングとの増強は、現在のシミュレーションの取り組みを補完する。これらの新しいグラフィックスデバイスは、数学的に集中的な計算がGPUによって達成することができるように、効率的に、中央処理ユニットと組み合わせる。結果は、最大20倍の消費電力の低減を伴う、10倍程度の計算の有効な加速度である。 この研究プロジェクトの目標は、直接MDシミュレーション、材料科学解析と3Dビジュアライゼーションに対話型インタフェースを接続しているナノサイエンスの調査のための新規のツールを開発し、実施することでした。独自の強力な分析機能を備えたこの革新的なシステムは、他のRELに直接影響し、UCマーセドでナノスケールの研究や教育のために使用されてきた<html>そのようなナノテクノロジー、物理学、生物学、地質学、教育や社会への最終的な利益としてated STEM分野。 3D / VR可視化システムは、インタラクティブな3Dバーチャルリアリティ（VR）環境での原子構造の作成および操作を可能にする研究と教育楽器の両方として実装されました。このシステムはもともとUCデービス1博士オリバーKreylosによって開発されたモデル以下の比較的低コストでアクセス可能なコンポーネントのセットから作成されました。 以下は、（ 図1）ラベルの重要なコンポーネントで、最終的な3D / VR可視化システムのレイアウトの写真です。このシステムは、もともと2009年にオリジナルの3D / VRシステムの実装はピアレビュー出版物2-3の結果UCマーセドの教育目的のために設立されました。以下の表1は、3D / VR可視化システムの各要素のキーの特性をまとめたものである。 ntent「FO：キープtogether.withinページ= &quot;常に&quot;&gt; <img alt="図1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" width="500" /> 図1. 3D / VR可視化システムと主要コンポーネント（左）ダビラ研究所でUCMでの可視化デバイス（右）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> アイテム </td><td> コンポーネント </td><td> システムでの機能 </td></tr><tr><td> A </td><td>立体テレビ</td><td>モデル化された分子構造の3Dディスプレイとオンスクリーンメニュー。 </td></tr><tr><td> B </td><td>赤外線（IR）追跡カメラ4 </td><td> IRカメラ3Dテレビの前でユーザーのワークスペースでWiiリモコンと3D表示ゴーグルのトラック位置、許可VIR表示された構造物のトゥアル3D操作。 </td></tr><tr><td> ℃ </td><td>トラッキングPC </td><td> IRカメラトラッキングソフトウェアを実行し、モデル化、コンピュータにWiiリモコンや3Dゴーグル位置を伝送する。 </td></tr><tr><td> D </td><td> Wiiリモコン</td><td>モデリングソフトウェアの画面上の管理に使用されると、3D仮想環境内の構造を操作する。 </td></tr><tr><td> E </td><td> 3Dゴーグル5 </td><td> 3DテレビIR信号と同期、構造の3Dビューを可能にします。正確な3Dビュー用の赤外線カメラによって追跡位置。 </td></tr><tr><td> F </td><td>モデルPC </td><td>ランNCK / VRUI 3Dモデリングと表示ソフトウェア6、正確な3D分子構造ビューを作成するためにゴーグル/ Wiiリモコンの位置と制御信号を受け入れます。 </td></tr></tbody></table> UCMでの3D / VR可視化システムの主要な要素の表1.機能。 Descriptio3D / VR可視化システムと基本コンポーネントのN： 3D / VR可視化システムの概要 - 3D / VR可視化システムは、IRカメラのセットで構成され、ユーザがインタラクティブに3D分子構造を作成できるようにモデラーと組み合わせて動作するソフトウェアを追跡する。 IRカメラおよびソフトウェアは、IRマーカーを使用してWiiリモコンや3Dビューイングゴーグルの3D位置を追跡し、モデリングソフトウェアにこれを渡す。モデリングソフトウェアは、同期化され、追跡された3Dメガネと3D対応大型テレビの組み合わせを使用して表示可能な3次元分子構造を生成するためにWiiリモコン制御信号と動きを使用する。これは、ユーザーが動的にモデリングソフトウェア（ 図2）で使用される原子間力に基づいて現実世界の物理的挙動を反映した仮想分子構造を作成し、操作することができ、その中の3Dバーチャルリアリティのワークスペースになり。特別consideratiこのシステムを設定するためのアドオンは、補足資料に見出すことができる。 <img alt="図2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" width="500" /> 3D / VR可視化システムを使用したシリカナノ材料の調査2.図 。 （a）の研究者は、GPUベースのシミュレーション前の初期クリストバライトモデル（結晶）を作成します。 （B）（A）に示したモデルでシミュレートされたMDは、溶融急冷を手順を実行する際に、別の研究者は、シリカガラスモデル（非結晶）を取得する。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 3D / VR可視化システムの強化-のMDシミュレーション能力： シミュレーションシステムは、一般的に実装されている分子動力学マルチ結節ファッションは、つまり、大規模なワークロードは、プロセッサの数千に数万の間に分散​​または並列化されている。最近では、加速された科学的なコンピューティングのための追加の機会は、コンピュータグラフィックス処理の発展から生じている。これらの進歩は、科学者は、グラフィックスチップに固有の処理能力の高度並列性を利用することを可能にするソフトウェア·インタフェースを含む。計算統合デバイスアーキテクチャまたはCUDA 7の登場により、科学者は、インフラストラクチャのコストを低減しつつ、問題が解決される速度を高めるためのGPU 8を使用することができる。典型的なGPUは、情報を処理するためのコアまたは「ノード」の数百から数千に相当するものを有してもよく、これらとして並列に使用することができ、十分に符号化されたソリューションは、マルチコア対応物に対するスループット加速度を1,000倍まで提供することができる。すべての問題は、このアプローチによく適していないが、現在のMDシミュレーションを15にまで見てきたxはスループット性能は9を得る 。 3D / VR可視化システムMD-GPUの強化の詳細は補足資料に記載されています。

<table><tbody><tr><td>Samsung 61" 3D対応高解像度DLPテレビ</td><td>Samsung</td><td><a href="http://www.samsung.com/us/video/tvs">http://www.samsung.com/us/video/tvs</a></td><td>プロトコルセクション3(ステップ3.2)を参照&nbsp;(大判3D対応テレビ)</td></tr><tr><td>Alienware Area51 750i モデリング コンピューター</td><td>Alienware</td><td><a href="http://www.alienware.com/">http://www.alienware.com</a></td><td>プロトコル セクション 1 (ステップ 1.1) を参照&nbsp;(モデリングコンピュータ)</td></tr><tr><td>HP EliteBook 8530w 追跡コンピュータ</td><td>HP</td><td><a href="http://www.hp.com/">http://www.hp.com</a></td><td>プロトコル セクション 2 (ステップ 2.3) を参照&nbsp;(追跡コンピュータ)</td></tr><tr><td>V100:R2 IRトラッキングカメラ (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>プロトコルセクション2(ステップ2.1)および参照[4]&nbsp;(トラッキングカメラ)</td></tr><tr><td>OptiTrackトラッキングツール IRトラッキングソフトウェア</td><td>Naturalpoint</td><td><a href="http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/">http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/</a></td><td>プロトコルセクション2(ステップ2.3)および参考文献[4]&nbsp;(追跡ソフト)</td></tr><tr><td>3Dゴーグルと3D TV IR同期エミ</td><td>ッター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>プロトコルセクション3(ステップ3.2)および参照[5]&nbsp;(3Dゴーグル)</td></tr><tr><td>Wiiリモコン3Dコントローラー</td><td>任天堂</td><td><a href="http://www.nintendo.com/wii">http://www.nintendo.com/wii</a></td><td>プロトコルセクション3(ステップ3.2)を参照&nbsp;(Wiiリモコン)</td></tr><tr><td>VRUI、NCK、および関連する3D/VRモデリングソフトウェア</td><td>オープンソースソフトウェア</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>プロトコルセクション1(ステップ1.3)および参考文献[1,6]&nbsp;(VRUI、NCK)</td></tr><tr><td>LAMMPS分子動力学ソフトウェア</td><td>オープンソースソフトウェア</td><td><a href="http://lammps.sandia.gov/">http://lammps.sandia.gov/&nbsp;</a></td><td>プロトコルセクション5(ステップ5.2)および参考文献[12]&nbsp;(ランプス)</td></tr><tr><td>NanospringCarverプログラムコードとファイル</td><td>UCマーセド - オープンソース</td><td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>プロトコルセクション5(ステップ5.4)および参照[16-17]&nbsp;(ナノスプリングカーバー)</td></tr><tr><td>MATLAB GUI ファイル</td><td>UC Merced - open source</td><td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>プロトコル セクション 5 (ステップ 5.4) および参考文献 [16-17]&nbsp;(ナノスプリングカーバー)</td></tr><tr><td>原子バルクガラス入力ファイル</td><td>UC Merced - オープンソース</td><td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>プロトコルセクション5(ステップ5.4)および参考文献[16-17]&nbsp;(ナノスプリングカーバー)</td></tr></tbody></table>

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

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

最後の数十年でコンピューティング（ハードウェアおよびソフトウェア）の増加開発は、他の多くの間、材料科学、生物学、化学、物理学など、多くの分野での科学的研究に影響を与えた。正確かつ高速シミュレーションおよびナノ構造の3D / VR可視化のための新たな計算システムは、分子動力学（MD）コンピュータプログラムは、LAMMPSオープンソースを使用して、ここに提示されている。この代替計算方法は、従来のコンピューティング方法に共通処理速度の障壁を克服するために近代的なグラフィックス·プロセッサ、NVIDIA CUDAテクノロジ、専門科学的なコードを使用しています。材料をモデル化するために使用される仮想現実システムと組み合わせて、この拡張を加速MDシミュレーション機能の追加を可能にする。動機は、同時に視覚化、シミュレーション、モデリングおよび分析を可能にする新規な研究環境を提供することにある。研究目標は、無機、nの構造と性質を調査することであるこの革新的な計算システムを用いて、異なる条件の下でanostructures（ 例えば、シリカガラスナノスプリング）。提示作品は、3D / VR可視化システムと基本的な構成要素の説明、そのような物理的環境などの重要な検討事項の概要は、小説のシステムのセットアップと使用の詳細については、加速のMD強化するための一般的な手順、技術的な情報の概要を説明、および関連する発言。この作品の影響は、UCマーセドでの研究と教育の楽器でもある仮想環境でのナノスケール材料シミュレーション、可視化とインタラクティビティを組み合わせたユニークな計算システム、の作成です。

この3D / VR可視化システムは、材料科学の研究を行うための新たな機会を提示します。この没入環境は、リアルタイムで動作するように、3次元入力と表示の形で、研究者は、完全にインタラクティブナノスケール器具2に提示される。ここで紹介するプロトコルに従うことによって、シリカらせんナノリボンは、このステップバイステップ方式で作成されました。 LAMMPS MDから産この構造のスナップショットが図7に示されている。この構造は、シミュレートされた引張試験を行い、このシミュレーションの結果は、引張力下構造の再編成および障害を示しアニメーション図1に示されている。 リアルタイムの双方向性と強力なMDシミュレーション15と没入型環境の視覚的な性質を組み合わせることで、研究者は、直感的なコントロールとフル機能の分析から恩恵を受けることができます。 目MD機能を備えた電子強化3D / VR可視化システムは、徹底的にテストされ、非晶質シリ...

GPUで加速された分子動力学シミュレーションとナノ構造の3D/VR視覚化、分析、操作を特徴とする新しい計算システムが実装されました。これは、材料研究を進歩させ、人間の目には見えない次元の材料構造について学ぶための革新的な調査と代替方法を促進するための新しいアプローチを表しています。

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

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

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。

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