Nieuw 3D / VR interactieve omgeving voor MD simulaties, visualisatie en analyse
18 december 2014
Een nieuw computationeel systeem met GPU-versnelde moleculaire dynamica simulatie en 3D/VR visualisatie, analyse en manipulatie van nanostructuren is geïmplementeerd, wat een nieuwe aanpak vertegenwoordigt om materiaalonderzoek te bevorderen en innovatief onderzoek en alternatieve methoden te promoten om te leren over materiaalstructuren met afmetingen die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog.
Het algemene doel van deze procedure is om het gedrag van driedimensionale nanostructuren in de echte wereld te visualiseren en te analyseren. Dit wordt bereikt door eerst een interactief 3D-visualisatiesysteem met simulatiemogelijkheden te maken. De tweede stap is het construeren en onderzoeken van 3D-nanostructuren in de interactieve omgeving.
Vervolgens wordt een 3D-nano-helicale structuur voorbereid uit een gekozen bulkmateriaal en wordt het systeem gebruikt om trek- of andere simulaties uit te voeren. De laatste stap is het visualiseren en analyseren van het resulterende 3D-gedrag van atomen in de echte wereld 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 materiaalinnovatieonderzoek.
Ik had het idee voor deze methode tijdens mijn tijd aan UC Davis toen ik samenwerkte met Dr. Oliver K Craigo over het gebruik van deze technologie voor onderzoek en leren, specifiek op het gebied van materiaalkunde. 3D-visualisatie en interactie zijn belangrijke hulpmiddelen voor de computationele verkenning en analyse van materialen. Dus we hopen dat deze inspanning anderen zal helpen om verder te gaan. Miguel Diaz, een afgestudeerde student uit mijn laboratorium, zal deze procedure verder demonstreren.
Om te beginnen, creëer een stijve camerasuspensieframe direct boven de voorkant van de 3D-compatibele televisie nabij het plafond voor de beste dekking. Monteer drie infrarood- of ir-camera's op draaibare steunen direct boven de voorste hoeken en het voorste midden van de 3D-tv.
Zorg ervoor dat de dekkingshoek van elke camera net de voorkant van de tv raakt. Monteer 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 waar deze gemakkelijk kan worden bereikt vanaf de modelcomputer, zorg ervoor dat u de sferische IR-trackingmarkeringen die eraan zijn bevestigd, niet aanraakt of verplaatst. Plaats ook zorgvuldig de 3D-bril op de tv-standaard, vermijd de reflecterende markeringen na voltooiing van de installatie.
Zoals beschreven in het tekstprotocol, open een terminalvenster met verschillende tabbladen op het modelcomputerbureaublad op de trackingcomputer. Controleer het IP-adres van de ethernetadapter door IP-config te typen in een opdrachtvenster op de modelcomputer. Open een terminalvenstertab en controleer in het VR-apparaten.cfg-bestand dat de servernaam het IP-adres van de ethernetadapter van de trackingcomputer op de trackingcomputer specificeert.
Laat de opti track rigid body tool-software volledig openen. Klik vervolgens op de grote knop nabij het bovenste menu gelabeld als load calibration result. Zoek naar en open het juiste camera-kalibratiebestand.
Nadat het bestand is geladen, klik op het bestandsmenu en selecteer load rigid body definitions. Zoek naar en open het juiste rigid body definitiebestand voor de getraceerde controller en 3D-bril in het rechterpaneel van de trackingsoftware. Zoek de sectie gelabeld als streaming en breid de sectie uit onder de VRPN-streamingcategorie.
Controleer of het vermelde poortnummer 3 8 8 3 is en vink het selectievakje broadcast frame data aan binnen de VRPN-streamingenginecategorie op de modelcomputer. Open een tabblad in het terminalvenster dat eerder in deze sessie is gemaakt. Navigeer naar en start de VR-apparatenduivelsoftware.
Volg vervolgens de prompt om knoppen een en twee op de WiMo tegelijkertijd in te drukken. Als de activiteit succesvol was, zal het venster nu het VR-apparaatserver wachten op clientverbinding binnen het eerder gemaakte modelcomputerterminalvenster. Selecteer het derde tabblad om de NCK-software te starten.
Navigeer naar de NCK-installatiemap en typ de opdracht die hier wordt weergegeven en ook vermeld staat in het tekstprotocol. Wees zeer voorzichtig om de bevestigde trackingmarkeringen niet aan te raken of los te maken. Doe de 3D-bril op en pak de controller. Pas de positie van de hoofdbril aan om ervoor te zorgen dat de 3D-bril het sync-signaal van de 3D-tv IR-emitter ontvangt, waardoor 3D VR-weergave van het tv-scherm mogelijk is om een toolset te hebben om atomen toe te voegen, te verplaatsen en te verwijderen.
Koppel NCK-opdrachten toe aan knoppen op de controller door eerst de Wiimote-homeknop ingedrukt te houden, waardoor het hoofd-NCK-menu op het scherm wordt weergegeven. Navigeer naar en selecteer het menu-item override tools en laat vervolgens de homeknop los. Dit maakt het mogelijk om commando's toe te wijzen aan verschillende knoppen op de controller onafhankelijk van elkaar.
Om de WiMo-triggerknop te koppelen aan de actie van het manipuleren van atomen binnen NCK, druk en houd de triggerknop ingedrukt. Navigeer in het NCK-menu op het scherm naar dragger en selecteer de six degree of freedom dragger voordat u de trigger loslaat. De trigger is nu gekoppeld aan de actie van het manipuleren van de atomen.
Om de functie van het toevoegen van een atoom aan de plus-knop op de Wiimote toe te wijzen, brengt u het hoofdmenu omhoog door de homeknop ingedrukt te houden. Navigeer naar structurele eenheidstypen en selecteer driehoek voordat u de homeknop loslaat. Druk vervolgens de plus-knop in en selecteer de six DOF dragger zoals eerder.
Laat vervolgens de plus-knop los. De plus-knop is nu gekoppeld aan het maken van nieuwe atomen van het geselecteerde type in dit geval, koolstofatomen voorgesteld door driehoeken. Om de functie van het verwijderen van een atoom aan de min-knop op de Wiimote toe te wijzen, brengt u het hoofdmenu omhoog door de homeknop ingedrukt te houden.
Navigeer vervolgens naar structurele eenheidstypen en selecteer vervolgens geselecteerde eenheden verwijderen. Voordat u de homeknop loslaat, druk en houd de min-knop in en selecteer de six DOF dragger zoals eerder. Laat vervolgens de min-knop los.
De min-knop is nu gekoppeld aan het verwijderen van atomen. Volg een soortgelijke procedure om de functies van het vergrendelen van geselecteerde eenheden toe te wijzen aan de ene WiMo-knop en het ontgrendelen van geselecteerde eenhe
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een nieuw computationeel systeem dat GPU-versnelde moleculaire dynamica simulatie integreert met 3D/VR visualisatie voor het analyseren van nanostructuren. Het systeem is bedoeld om materiaalonderzoek te verbeteren door innovatieve methoden te bieden om materiaalstructuren op nanoschaal te onderzoeken.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Materiaalwetenschap
- Nanotechnologie
- Computationeel modelleren
Achtergrond
- Het begrijpen van nanostructuren is cruciaal voor het bevorderen van materiaalonderzoek.
- Traditionele methoden kunnen nanoschaal fenomenen mogelijk niet effectief visualiseren.
- 3D visualisatie kan diepere inzichten bieden in materiaalgedrag.
- GPU-versnelling verbetert simulatiemogelijkheden.
Doel van het onderzoek
- Om het gedrag van 3D nanostructuren te visualiseren en te analyseren.
- Om een interactieve omgeving te creëren voor het simuleren van nanostructuren.
- Om simulaties uit te voeren op voorbereide nano helicale structuren.
Gebruikte methoden
- Ontwikkeling van een interactief 3D visualisatiesysteem.
- Constructie van 3D nanostructuren uit bulkmaterialen.
- Uitvoeren van trek- en andere simulaties op nanostructuren.
- Visualisatie en analyse van atomistisch gedrag na simulatie.
Belangrijkste resultaten
- Het systeem visualiseert met succes 3D nanostructuren.
- Simulaties bieden inzichten in materiaalgedrag op nanoschaal.
- Interactieve functies verhogen de betrokkenheid en het begrip van de gebruiker.
- Resultaten ondersteunen innovatieve benaderingen in materiaalonderzoek.
Conclusies
- Het 3D visualisatiesysteem is een waardevol hulpmiddel voor materiaalinnovatie.
- Het vergemakkelijkt realistische onderzoeken van nanostructuren.
- Toekomstig onderzoek kan voortbouwen op dit systeem voor verdere ontwikkelingen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This computational system enables biopharma R&D teams to visualize and analyze nanostructure behavior in a 3D/VR environment, supporting mechanistic de-risking in early discovery. By integrating GPU-accelerated molecular dynamics with interactive visualization, it enhances target validation and predictive confidence for nanomaterial-based therapeutics. The platform facilitates translational continuity from atomic-scale simulation to preclinical evaluation of nanostructured drug delivery systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by visualizing atomistic interactions of nanostructures with biological targets.
- Operational Value: Supports biological de-risking through direct observation of structural transformations under simulated physiological conditions.
- Predictive Value: Enhances portfolio triage by providing quantitative insights into nanostructure stability and failure mechanisms.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems for downstream workflows by enabling standardized nanostructure construction and manipulation.
- Quantitative Outputs: Generates measurable simulation data on structural integrity and dynamic behavior for compound evaluation.
- Platform Reuse: Offers scalable, reusable capability for screening nanocarrier designs and surface modifications.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Supports investigation of inorganic nanostructures (e.g., silica glass nanosprings) under varying conditions relevant to drug delivery pathways.
- Translational Continuity: Bridges discovery-scale simulation with preclinical validation through consistent 3D/VR analysis of atomistic behavior.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by visualizing failure modes under tensile or environmental stress.
Pipeline & Workflow Integration
The system integrates into the discovery continuum from early hypothesis testing through lead identification and preclinical work, particularly for nanomedicine development.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling real-time visualization of nanostructure-biomolecule interactions.
- Screening: Enhances assay readiness through reproducible nanostructure construction and manipulation in a controlled virtual environment.
- Analytics: Delivers quantitative measurements of structural dynamics and failure points that inform comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by allowing consistent analysis of nanostructure behavior from simulation to validation stages.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for iterative design, testing, and optimization of nanoscale drug delivery systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation, reduction of mechanistic ambiguity in nanostructure behavior.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of nanostructure simulation and visualization workflows.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk in nanomedicine development.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on visualized structural performance.
Implementation Considerations
- Requires expertise in molecular dynamics simulation, 3D/VR systems, and GPU-accelerated computing.
- Depends on NVIDIA CUDA-compatible hardware, VR tracking systems, and open-source software (LAMMPS, NCK).
- Necessitates cross-team standardization between computational biologists, materials scientists, and visualization specialists.
- Involves adaptation considerations when applying the system to biological nanomaterials (e.g., liposomes, polymeric nanoparticles) versus inorganic nanostructures.
- Practical limitations include setup complexity and dependency on precise calibration of IR tracking markers and VR hardware synchronization.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:41
Prepare 3D/VR Modeling System for Use
4:37
Test 3D/VR Visualization System Using NCK Software
9:03
Visualization of Molecular Dynamics Simulation Models
10:16
Results: An Integrated System for Atomistic Simulation and 3D Visualization of Nanostructures
11:02
Conclusion
