소설 3D / MD 시뮬레이션, 시각화 및 분석을위한 VR 대화 형 환경

이 절차의 전반적인 목표는 실제 나노구조의 3차원 거동을 시각화하고 분석하는 것입니다. 이를 위해 먼저 시뮬레이션 기능이 포함된 대화형 3D 시각화 시스템을 구축합니다. 그다음 단계로, 이 대화형 환경 내에서 3D 나노구조를 제작하고 조사합니다.

다음으로, 선택한 벌크 재료로부터 3D 나노 헬리컬 구조를 준비하고 해당 시스템을 사용하여 인장 또는 기타 시뮬레이션을 수행합니다. 마지막 단계는 나노 구조의 결과적인 3D 실제 원자적 거동을 시각화하고 분석하는 것입니다. 궁극적으로, 본 연구의 3D 시각화 시스템은 소재 혁신 연구를 위한 분자 역학 또는 MD 시뮬레이션을 통해 실제적인 나노 구조를 조사하는 데 활용될 수 있습니다.

저는 UC Davis에서 Oliver K. Craigo 박사와 함께 특히 재료 과학 분야의 연구 및 학습을 위한 이 기술의 활용 방안에 대해 협력하던 당시 이 방법에 대한 아이디어를 얻었습니다. 3D 시각화와 상호작용은 전산적으로 재료를 탐색하고 분석하는 데 있어 중요한 도구입니다. 따라서 이러한 노력이 다른 연구자들에게 도움이 되기를 바랍니다. 이 절차의 시연을 더 자세히 도와줄 분은 제 실험실의 대학원생인 Miguel Diaz입니다.

시작하려면, 최적의 촬영 범위를 위해 천장 근처의 3D 가능 TV 전면 가장자리 바로 위에 견고한 카메라 현수 프레임을 제작하십시오. 세 대의 적외선(IR) 카메라를 회전 마운트에 장착하여 3D TV의 전면 모서리와 전면 중앙 바로 위에 설치하십시오.

각 카메라의 커버리지 각도가 TV의 전면 표면에 살짝 닿도록 설정하십시오. 그다음, 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 3D 가상 현실 또는 3D VR 시각화 시스템을 위한 장비와 소프트웨어를 조립 및 구성하고, 컨트롤러에 부착된 구형 IR 추적 마커를 건드리거나 움직이지 않도록 주의하며 모델링 컴퓨터에서 쉽게 닿는 위치에 조심스럽게 배치하십시오. 또한 추가 설정 이후에 반사 마커를 건드리지 않도록 주의하며 3D 고글을 TV 스탠드 위에 조심스럽게 놓으십시오.

텍스트 프로토콜에 상세히 설명된 대로, 트래킹 컴퓨터의 모델링 컴퓨터 데스크톱에서 여러 탭이 포함된 터미널 창을 엽니다. 모델링 컴퓨터의 명령 창에 IP config를 입력하여 이더넷 어댑터 IP 주소를 확인합니다. 터미널 창 탭을 열고 VR devices dot cfg 파일 내의 서버 이름이 트래킹 컴퓨터의 이더넷 어댑터 IP 주소로 지정되어 있는지 확인합니다.

OptiTrack 리지드 바디 툴 소프트웨어가 완전히 실행될 때까지 기다립니다. 그런 다음 상단 메뉴 근처에 있는 'load calibration result'라고 표시된 큰 버튼을 클릭하십시오. 적절한 카메라 캘리브레이션 파일을 찾아 엽니다.

파일이 로드되면 파일 메뉴를 클릭하고 rigid body definitions 로드를 선택합니다. 추적 소프트웨어의 가장 오른쪽 창에서 추적 컨트롤러와 3D 고글에 해당하는 rigid body definition 파일을 찾아 엽니다. streaming이라고 표시된 섹션을 찾아 VRPN streaming 카테고리 아래의 섹션을 확장합니다.

표시된 포트 번호가 3 8 8 3인지 확인하고, 모델링 컴퓨터의 VRPN 스트리밍 엔진 카테고리 내에 있는 브로드캐스트 프레임 데이터 상자를 확인하십시오. 이번 세션에서 이전에 생성한 터미널 창에서 탭을 엽니다. VR 장치 데몬 소프트웨어가 있는 경로로 이동하여 이를 실행하십시오.

다음으로, WiMo의 1번과 2번 버튼을 동시에 누르라는 안내에 따릅니다. 작업이 성공하면, 이전에 생성한 모델링 컴퓨터 터미널 창에 VR 장치 서버가 클라이언트 연결을 대기 중이라는 메시지가 표시됩니다. 세 번째 탭을 선택하여 NCK 소프트웨어를 실행합니다.

NCK 설치 디렉토리로 이동하여 여기에 표시되어 있고 텍스트 프로토콜에도 기재된 명령어를 입력하되, 부착된 트래킹 마커를 건드리거나 헐겁게 하지 않도록 각별히 주의하십시오. 3D 고글을 착용하고 컨트롤러를 잡으십시오. 3D 고글이 3D TV IR 이미터 동기화 신호를 수신하여 TV 디스플레이를 3D VR로 볼 수 있도록 고글의 시청 위치를 조정하여, 원자를 추가, 이동 및 삭제할 수 있는 툴셋을 갖추십시오.

위모트(wiimote) 홈 버튼을 길게 눌러 NCK 온스크린 메인 메뉴를 불러온 다음, 컨트롤러의 버튼에 NCK 명령 연결을 할당하십시오. 오버라이드 도구(override tools) 메뉴 항목으로 이동하여 선택한 후, 홈 버튼을 뗍니다. 이렇게 하면 컨트롤러의 서로 다른 버튼에 명령을 각각 독립적으로 할당할 수 있습니다.

WiMo 트리거 버튼을 NCK 내의 원자 조작 동작과 연결하려면, 트리거 버튼을 길게 누르십시오. 화면상의 NCK 메뉴에서 dragger로 이동하여 6자유도 dragger(six degree of freedom dragger)를 선택한 후 트리거를 떼십시오. 이제 트리거가 원자 조작 동작과 연결되었습니다.

Wiimote의 플러스(+) 버튼에 원자 추가 기능을 할당하려면, 홈 버튼을 길게 눌러 메인 메뉴를 띄웁니다. 구조 단위 유형(structural unit types)으로 이동하여 triangle을 선택한 후 홈 버튼을 뗍니다. 그다음 플러스(+) 버튼을 길게 누르고 이전과 동일하게 six DOF dragger를 선택합니다.

그런 다음 플러스 버튼을 뗍니다. 이제 플러스 버튼은 이번 사례에서 선택된 유형인 삼각형으로 표시되는 탄소 원자의 새로운 원자를 생성하는 기능과 연결되었습니다. 위모컨의 마이너스 버튼에 원자 삭제 기능을 할당하려면 홈 버튼을 길게 눌러 메인 메뉴를 띄웁니다.

그다음 구조 단위 유형(structural unit types)으로 이동하여 선택된 단위 삭제(delete selected units)를 선택합니다. 홈 버튼을 떼기 전에 마이너스 버튼을 길게 누른 상태에서 이전과 같이 6 DOF 드래거(six DOF dragger)를 선택합니다. 그런 다음 마이너스 버튼을 뗍니다.

이제 마이너스 버튼은 원자 삭제 기능과 연결되었습니다. 이와 유사한 절차를 통해 선택된 단위 잠금 기능은 WiMo 버튼 1번에, 선택된 단위 잠금 해제 기능은 컨트롤러 버튼 2번에 할당하십시오. 컨트롤러 버튼 설정이 완료되면, 먼저 플러스 버튼을 사용하여 NCK 작업 공간에 3중 결합 삼각형 탄소 원자 2개를 추가하여 NCK를 이용한 탄소 나노튜브를 생성하십시오.

트리거 버튼을 사용하여 이들이 꼭짓점에서 만날 때까지 조작하십시오. 그런 다음 탄소 원자 4개를 더 추가하여 육각형 별 모양을 만드십시오. 홈 메뉴를 통해 입력 출력 메뉴로 이동한 후 유닛 저장(save units)으로 가서, 육각 구조체를 현재 위치에서 옮기십시오.

이제 홈 메뉴를 사용하여 다시 입력 출력 메뉴로 이동한 다음 유닛을 로드하십시오. 육각형의 6개 원자 고리로 이루어진 6x6 시트가 생성될 때까지 마지막 두 단계를 반복하십시오.

원 버튼 잠금을 사용하여 상단 행의 원자 하나와 하단 행의 반대편 원자 하나를 선택하면, 잠긴 원자들이 분홍색으로 표시됩니다. 트리거 버튼을 사용하여 잠긴 원자 중 하나를 자유로워질 때까지 원형 호를 그리며 조심스럽게 이동시킵니다. 정점은 반대편 잠긴 원자의 자유 정점에 접근합니다.

성공적으로 결합되면, 두 개의 버튼을 사용하여 두 원자를 모두 잠금 해제하십시오. 탄소 시트의 반대쪽 꼭짓점들을 유사하게 잠그고, 결합하고, 잠금 해제하는 과정을 반복하십시오. 이를 통해 시트를 효과적으로 지퍼처럼 닫아 최종적인 탄소 나노튜브를 만듭니다.

초기 결정질 이산화규소 큐빅 모델을 3D VR NCK 소프트웨어로 불러와 초기 구조를 조사합니다. 이 초기 정렬 구조에 시뮬레이션 멜트 퀜칭(melt quench) 과정을 수행하여 비정질 이산화규소 구조를 생성합니다. 그 후, 결과물인 새로운 무질서 이산화규소 모델을 3D VR NCK 소프트웨어로 불러와 그 구조를 조사합니다.

새로운 비정질 고체로부터 이산화규소 나노 스프링 또는 나노 리본을 제작하십시오. 오픈 소스 코드인 nano springing carver와 관련 교육 문서를 사용하십시오. 다른 문헌에 보고된 바와 같이, LAMMPS 분자 역학 패키지를 사용하여 나노 스프링 또는 나노 리본에 대한 인장 시뮬레이션을 수행하십시오.

마지막으로, 오픈 소스 소프트웨어 도구인 visualize molecular dynamics, image magic 및 FF m peg를 사용하여 시뮬레이션 전 과정에 걸친 나선형 나노 구조의 스냅샷과 애니메이션을 제작하거나, 이를 3D VR 시각화 시스템에서 프레젠테이션하십시오. 본 프로토콜은 고성능 원자 시뮬레이션과 나노 구조의 대화형 3D 시각화를 위한 통합 실험실 시스템을 구축하는 방법을 설명합니다. 3D VR 시각화 시스템을 이용하면 실제 원자 거동을 보이는 탄소 나노 튜브와 같은 복잡한 나노 구조를 구축하고 연구할 수 있습니다.

이후 실리카 나노 리본 헬릭스를 제작하고 모의 인장 하중을 가했으며, 이러한 인장 조건 하에서 나노 구조의 구조적 변형과 파손을 조사하기 위해 시뮬레이션 결과를 3차원으로 시각화하였습니다. 이 영상을 시청한 후에는 저희 연구실에서 사용하는 것과 같은 3D 시각화 시스템을 사용하여 모든 나노 구조 모델의 거동을 분석하고 시각화할 수 있을 것입니다.