Nieuw 3D / VR interactieve omgeving voor MD simulaties, visualisatie en analyse

Summary

A new computational system featuring GPU-accelerated molecular dynamics simulation and 3D/VR visualization, analysis and manipulation of nanostructures has been implemented, representing a novel approach to advance materials research and promote innovative investigation and alternative methods to learn about material structures with dimensions invisible to the human eye.

Abstract

De toenemende ontwikkeling van de informatica (hardware en software) in de laatste decennia heeft wetenschappelijk onderzoek beïnvloed op vele gebieden, waaronder materiaalkunde, biologie, scheikunde en natuurkunde onder vele anderen. Een nieuwe computationele systeem voor de accurate en snelle simulatie en 3D / VR visualisatie van nanostructuren wordt hier gepresenteerd, met behulp van de open-source moleculaire dynamica (MD) computerprogramma LAMMPS. Deze alternatieve rekenmethode gebruikt moderne grafische processors, NVIDIA CUDA technologie en gespecialiseerde wetenschappelijke codes om verwerkingssnelheid barrières gemeen met de traditionele rekenmethoden te overwinnen. In combinatie met een virtual reality systeem gemodelleerd om materialen, deze uitbreiding kan een extra versnelde MD simulatie vermogen. De motivatie is om een ​​nieuwe onderzoeksomgeving die tegelijkertijd maakt visualisatie, simulatie, modellering en analyse. Het onderzoek doel is om de structuur en eigenschappen van anorganische n onderzoekenanostructures (bijvoorbeeld silica glas nanosprings) onder verschillende omstandigheden met behulp van deze innovatieve computationele systeem. De gepresenteerde werk schetst een beschrijving van de 3D / VR Visualisatie Systeem en basiscomponenten, een overzicht van belangrijke overwegingen zoals de fysieke omgeving, details over de installatie en gebruik van het nieuwe systeem, een algemene procedure voor de versnelde MD enhancement, technische informatie en relevante opmerkingen. De impact van dit werk is de creatie van een uniek computationele systeem combineren nanoschaal materialen simulatie, visualisatie en interactiviteit in een virtuele omgeving, die zowel een onderzoek en onderwijs instrument op UC Merced.

Introduction

Materiaalkunde is een interdisciplinair vakgebied dat de structuur-eigenschap relaties onderzoekt in kwestie voor de toepassing daarvan op vele gebieden van wetenschap en techniek. Als structuur-eigenschap relaties worden onderzocht door middel van computersimulaties in aanvulling op experimenten, computationele hulpmiddelen bieden aanvullende functies die onderzoeksinspanningen kunnen verbeteren. Terwijl nanomaterialen van belang zijn voor wetenschappers en hebben verlossende waarde voor hun mogelijke maatschappelijke impact, dit regime grootte is beladen met vele uitdagingen vinden vooral in experimenten.

Computersimulaties kunnen weten....

Protocol

1. Installeer 3D / VR Modeling software op Modeling PC

1. Installeer LINUX basis-besturingssysteem op het modelleren van PC (Ubuntu x86 / AMD64 afhankelijk van de hardware).
2. Wijzigen LINUX basis-besturingssysteem.
   1. Installeer bibliotheken en functionaliteit toe te voegen als dat nodig is.
3. Installeer VRUI en NCK 3D / VR modeling software op Modeling PC ^6.
   1. Controleer gerelateerde websites ^1,6 naar de nieuwste versies van alle modeling software componenten te verkrijgen.
   2. Compileren, configureren en testen VRUI.
   3. Installeren en testen NCK.

Results

Deze 3D / VR Visualisatie Systeem biedt nieuwe mogelijkheden voor het uitvoeren van de materiaalkunde studies. Aangezien dit immersieve omgeving werkt in real-time, in de vorm van 3D-input en weergave, de onderzoeker wordt gepresenteerd met een volledig interactieve nanometerschaal instrument ^2. Door het volgen van het protocol hier gepresenteerde werd een silica schroeflijnvormige nanoribbon die in deze stap voor stap manier. Een momentopname van deze structuur geproduceerd LAMMPS MD wordt getoond in

Discussion

Kritische elementen in de succesvolle installatie en het gebruik van de 3D ​​/ VR Visualisatie Systeem worden gedetailleerd beschreven in de fysieke omgeving en de Overwegingen van het Ontwerp en bijzondere overwegingen in aanvullende materialen. Belangrijke overwegingen bij installatie onder andere 3D-weergave hoogte voor comfortabel langdurig staand of zittend gebruik, gemaximaliseerd bijhouden camera gemonteerd hoogte om een ​​grote 3D-werkgebied, stabiele bijhouden camera en 3D-weer.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Samsung 61" 3D-capable high definition DLP TV	Samsung	http://www.samsung.com/us/video/tvs	See Protocol Section 3 (Step 3.2)  (Large format 3D-capable TV)
Alienware Area51 750i modeling computer	Alienware	http://www.alienware.com	See Protocol Section 1 (Step 1.1)  (Modeling computer)
HP EliteBook 8530w tracking computer	HP	http://www.hp.com	See Protocol Section 2 (Step 2.3)  (Tracking computer)
V100:R2 IR tracking cameras (3)	Naturalpoint	http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/	See Protocol Section 2 (Step 2.1) and Reference [4]  (Tracking cameras)
OptiTrack Tracking Tools IR tracking software	Naturalpoint	http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/	See Protocol Section 2 (Step 2.3) and Reference [4]  (Tracking software)
3D Goggles and 3D TV IR sync emitter	Ilixco	http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html	See Protocol Section 3 (Step 3.2) and Reference [5]  (3D goggles)
Wiimote 3D controller	Nintendo	http://www.nintendo.com/wii	See Protocol Section 3 (Step 3.2)  (Wiimote)
VRUI, NCK and associated 3D/VR modeling software	Open source software	http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html	See Protocol Section 1 (Step 1.3) and References [1,6]  (VRUI, NCK)
LAMMPS molecular dynamics software	Open source software	http://lammps.sandia.gov/	See Protocol Section 5 (Step 5.2) and Reference [12]  (LAMMPS)
NanospringCarver program code and files	UC Merced - open source	http://tinyurl.com/qame8dj	See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]  (NanospringCarver)
MATLAB GUI files	UC Merced - open source	http://tinyurl.com/qame8dj	See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]  (NanospringCarver)
Atomistic bulk glass input file	UC Merced - open source	http://tinyurl.com/qame8dj	See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]  (NanospringCarver)