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

Het algemene doel van deze procedure is het visualiseren en analyseren van het driedimensionale gedrag van nanostructuren in de echte wereld. Dit wordt bereikt door eerst een interactief 3D-visualisatiesysteem met simulatiecapaciteit te creëren. De tweede stap bestaat uit het construeren en onderzoeken van 3D-nanostructuren in deze interactieve omgeving.

Vervolgens wordt een 3D nano-helicale structuur geprepareerd uit een gekozen bulkmateriaal en wordt het systeem gebruikt om trektesten of andere simulaties uit te voeren. De laatste stap is het visualiseren en analyseren van het resulterende 3D real-world atomistische gedrag van de nanostructuur. Uiteindelijk kan het 3D-visualisatiesysteem in dit werk worden gebruikt voor het onderzoeken van realistische nanostructuren via moleculaire dynamica of MD-simulaties voor onderzoek naar materiaalinnovatie.

Ik kreeg het idee voor deze methode destijds aan de UC Davis, toen ik samenwerkte met Dr. Oliver K. Craigo aan het gebruik van deze technologie voor onderzoek en onderwijs, specifiek in het vakgebied van de materiaalkunde. 3D-visualisatie en interactie zijn belangrijke instrumenten voor de computationele exploratie en analyse van materialen. We hopen daarom dat dit initiatief anderen zal helpen dit verder uit te breiden. Miguel Diaz, een promovendus uit mijn laboratorium, zal deze procedure verder demonstreren.

Begin met het maken van een star camera-ophangframe direct boven de voorrand van de 3D-compatibele televisie, nabij het plafond, voor een optimale dekking. Monteer drie infrarood- of IR-camera's op draaibare bevestigingen direct boven de voorhoeken en het midden van de voorzijde van de 3D-tv.

Zorg ervoor dat de dekshoek van elke camera het vooroppervlak van de tv net raakt. Assembleer en configureer vervolgens de apparatuur en software voor het 3D virtual reality- of 3D VR-visualisatiesysteem zoals beschreven in het tekstprotocol; plaats de controller zorgvuldig op een plek waar deze gemakkelijk vanaf de modelleringscomputer bereikbaar is, waarbij u erop let de sferische IR-trackingsensoren die eraan zijn bevestigd niet aan te raken of te verplaatsen. Plaats daarnaast de 3D-bril voorzichtig op de tv-standaard, waarbij u voorkomt dat de reflecterende markers na de aanvullende installatie worden geraakt.

Zoals beschreven in het tekstprotocol, opent u een terminalvenster met meerdere tabbladen op het bureaublad van de modelleringscomputer op de trackingcomputer. Verifieer het IP-adres van de ethernetadapter door IP config te typen in een opdrachtvenster op de modelleringscomputer. Open een tabblad in het terminalvenster en controleer in het VR devices dot cfg-bestand of de servernaam het IP-adres van de ethernetadapter van de trackingcomputer op de trackingcomputer specificeert.

Wacht tot de software van de OptiTrack rigid body tool volledig is geopend. Klik vervolgens op de grote knop in het bovenmenu met het label load calibration result. Zoek het betreffende camerakalibratiebestand op en open dit.

Nadat het bestand is geladen, klikt u op het bestandsmenu en selecteert u 'load rigid body definitions'. Zoek het juiste rigid body-definitiebestand voor de gevolgde controller en de 3D-bril op en open dit in het meest rechtse paneel van de trackingsoftware. Zoek de sectie met het label 'streaming' en vouw deze sectie uit onder de categorie 'VRPN streaming'.

Verifieer dat het vermelde poortnummer 3 8 8 3 is, en controleer het vak voor broadcast frame-gegevens binnen de categorie VRPN streaming engine op de modelleringscomputer. Open een tabblad in het terminalvenster dat eerder in deze sessie is aangemaakt. Navigeer naar de VR-apparaatdemon-software en start deze op.

Volg vervolgens de aanwijzing om knop één en twee op de WiMo gelijktijdig in te drukken. Als de handeling is geslaagd, verschijnt in het eerder gemaakte terminalvenster van de modelleringscomputer nu de melding VR device server waiting for client connection. Selecteer het derde tabblad om de NCK-software te starten.

Navigeer naar de installatiemap van NCK en typ het commando dat hier wordt getoond en dat ook in het tekstprotocol staat, waarbij u er zeer zorgvuldig op toeziet dat de bevestigde trackingmarkers niet worden aangeraakt of losgekomen raken. Zet de 3D-bril op en pak de controller. Pas de kijkpositie van de bril aan om er zeker van te zijn dat de 3D-bril het synchronisatiesignaal van de IR-emitter van de 3D-tv ontvangt, zodat het tv-scherm in 3D-VR kan worden bekeken om toegang te krijgen tot een toolset voor het toevoegen, verplaatsen en verwijderen van atomen.

Wijs NCK-commandoassociaties toe aan knoppen op de controller door eerst de home-knop van de wiimote ingedrukt te houden, waardoor het hoofdmenu van NCK op het scherm verschijnt. Navigeer naar het menu-item voor override-tools en selecteer dit, en laat vervolgens de home-knop los. Hierdoor kunnen commando's onafhankelijk van elkaar aan verschillende knoppen op de controller worden toegewezen.

Om de WiMo-triggerknop te koppelen aan de actie voor het manipuleren van atomen binnen NCK, houdt u de triggerknop ingedrukt. Navigeer in het NCK-menu op het scherm naar dragger en selecteer six degree of freedom dragger voordat u de trigger loslaat. De trigger is nu gekoppeld aan de actie voor het manipuleren van de atomen.

Om de functie voor het toevoegen van een atoom aan de plustoets van de wiimote toe te wijzen, opent u het hoofdmenu door de home-toets ingedrukt te houden. Navigeer naar structural unit types en selecteer triangle voordat u de home-toets loslaat. Houd vervolgens de plustoets ingedrukt en selecteer six DOF dragger op dezelfde wijze als hiervoor.

Laat vervolgens de plustoets los. De plustoets is nu gekoppeld aan het maken van nieuwe atomen van het in dit geval geselecteerde type: koolstofatomen, weergegeven door driehoeken. Om de functie voor het verwijderen van een atoom toe te wijzen aan de mintoets op de wiimote, opent u het hoofdmenu door de home-toets ingedrukt te houden.

Navigeer vervolgens naar structural unit types en selecteer delete selected units. Voordat u de home-knop loslaat, houdt u de min-knop ingedrukt en selecteert u zes DOF dragger zoals voorheen. Laat daarna de min-knop los.

De min-knop is nu gekoppeld aan het verwijderen van atomen. Volg een vergelijkbare procedure om de functies voor het vergrendelen van geselecteerde eenheden toe te wijzen aan de eerste WiMo-knop en het ontgrendelen van geselecteerde eenheden aan de tweede controllerknop. Zodra de controllerknoppen zijn geconfigureerd, maakt u een koolstofnanobuisje met NCK door eerst de plus-knop te gebruiken om twee drie-bindings driehoekige koolstofatomen aan de NCK-werkruimte toe te voegen.

Manipuleer deze met de triggerknop totdat ze bij een hoekpunt samenkomen. Voeg vervolgens vier koolstofatomen toe om een zeskantige stervorm te creëren. Navigeer via het hoofdmenu naar de input-outputmenu's en vervolgens naar het opslaan van eenheden, en verplaats de zespuntige structuur weg van de huidige positie.

Gebruik nu het hoofdmenu om opnieuw naar de invoer- en uitvoermenu's te navigeren en vervolgens naar 'load units'. Herhaal de laatste twee stappen totdat er een blad van zes bij zes hexagonale ringen van zes atomen is gecreëerd.

Gebruik de vergrendelknop om één atoom in de bovenste rij en een tegenoverliggend atoom in de onderste rij te selecteren; de vergrendelde atomen worden roze gemarkeerd. Beweeg met de triggerknop voorzichtig een van de vergrendelde atomen in een cirkelvormige boog totdat het vrij is. De vertex nadert de vrije vertex van het tegenoverliggende vergrendelde atoom.

Zodra ze succesvol zijn verbonden, worden beide atomen ontgrendeld met behulp van de twee knoppen. Ga op soortgelijke wijze verder met het vergrendelen, verbinden en ontgrendelen van tegenoverliggende hoekpunten in het koolstofvel. Hierdoor wordt het vel effectief dichtgeritst tot een uiteindelijke koolstofnanobuis.

Importeer een initieel kristalijn siliciumdioxide-kubusmodel in de 3D VR NCK-software en onderzoek de initiële structuur. Voer een gesimuleerde melt-quench-procedure uit op deze initiële geordende structuur om een amorfe siliciumdioxide-structuur te produceren. Importeer vervolgens het resulterende nieuwe ongeordende siliciumdioxide-model in de 3D VR NCK-software en onderzoek de structuur.

Creëer een siliciumdioxide nanoveer of nanoband uit de nieuwe amorfe vaste stof. Maak hiervoor gebruik van de open-source code, de nano springing carver en de bijbehorende instructiedocumentatie. Gebruik het moleculaire dynamica-pakket LAMMPS om treksimulaties uit te voeren op de nanoveer of nanoband, zoals elders gerapporteerd.

Gebruik tot slot de opensource softwaretools visualize molecular dynamics, image magic en FF m peg om snapshots en animaties van de helicale nanostructuur gedurende deze simulatie of presentatie in het 3D VR-visualisatiesysteem te maken. Het hier beschreven protocol demonstreert hoe een geïntegreerd laboratoriumsysteem kan worden gecreëerd voor hoogwaardige atomistische simulatie en interactieve 3D-visualisatie van nanostructuren. Met behulp van het 3D VR-visualisatiesysteem kunnen complexe nanostructuren, zoals een koolstofnanobuis met realistisch atomair gedrag, worden geconstrueerd en onderzocht.

Vervolgens is een helixvormig siliciumdioxide-nanoribbon gecreëerd en onderworpen aan gesimuleerde trekbelastingen, waarna de resultaten van de simulatie in drie dimensies zijn gevisualiseerd om de structurele transformatie en het falen van de nanostructuur onder dergelijke trekcondities te onderzoeken. Na het bekijken van deze video moet u in staat zijn om het gedrag van elk nanostructuurmodel te analyseren en te visualiseren met behulp van een 3D-visualisatiesysteem zoals dat wij in het laboratorium hebben.