Nowatorskie interaktywne środowisko 3D/VR do symulacji, wizualizacji i analizy MD

Summary

Nowy system obliczeniowy z akcelerowaną przez GPU symulacją dynamiki molekularnej oraz wizualizacją 3D/VR, analizą i manipulacją nanostruktur został zaimplementowany, reprezentując nowatorskie podejście do zaawansowanych badań materiałowych i promowania innowacyjnych badań i alternatywnych metod uczenia się o strukturach materialnych o wymiarach niewidocznych dla ludzkiego oka.

Abstract

Rosnący rozwój informatyki (sprzętu i oprogramowania) w ostatnich dziesięcioleciach wpłynął na badania naukowe w wielu dziedzinach, w tym w materiałoznawstwie, biologii, chemii i fizyce. Zaprezentowano nowy system obliczeniowy do dokładnej i szybkiej symulacji oraz wizualizacji 3D/VR nanostruktur, wykorzystujący program komputerowy LAMMPS do analizy molekularnej (MD) o otwartym kodzie źródłowym. Ta alternatywna metoda obliczeniowa wykorzystuje nowoczesne procesory graficzne, technologię NVIDIA CUDA i specjalistyczne kody naukowe w celu pokonania barier prędkości przetwarzania typowych dla tradycyjnych metod obliczeniowych. W połączeniu z systemem rzeczywistości wirtualnej wykorzystywanym do modelowania materiałów, ulepszenie to pozwala na dodanie funkcji przyspieszonej symulacji MD. Motywacją jest zapewnienie nowatorskiego środowiska badawczego, które jednocześnie umożliwia wizualizację, symulację, modelowanie i analizę. Celem badań jest zbadanie struktury i właściwości nanostruktur nieorganicznych (np. nanosprężyn ze szkła krzemionkowego) w różnych warunkach z wykorzystaniem tego innowacyjnego systemu obliczeniowego. Prezentowana praca zawiera opis Systemu Wizualizacji 3D/VR i jego podstawowych komponentów, przegląd ważnych kwestii, takich jak środowisko fizyczne, szczegóły dotyczące konfiguracji i użytkowania nowatorskiego systemu, ogólną procedurę przyspieszonego ulepszania MD, informacje techniczne i odpowiednie uwagi. Efektem tych prac jest stworzenie unikalnego systemu obliczeniowego łączącego symulację, wizualizację i interaktywność materiałów w nanoskali w środowisku wirtualnym, który jest zarówno instrumentem badawczym, jak i dydaktycznym na Uniwersytecie Kalifornijskim w Merced.

Introduction

Materiałoznawstwo to interdyscyplinarna dziedzina, która bada relacje struktura-właściwości w materii pod kątem ich zastosowania w wielu dziedzinach nauki i inżynierii. Ponieważ relacje między strukturą a właściwościami są badane nie tylko za pomocą eksperymentów, ale także za pomocą symulacji komputerowych, narzędzia obliczeniowe oferują uzupełniające funkcje, które mogą usprawnić wysiłki badawcze. Chociaż nanomateriały są przedmiotem zainteresowania naukowców i mają wartość odkupieńczą ze względu na ich potencjalny wpływ społeczny, ten reżim wielkości jest obarczony wieloma wyzwaniami, zwłaszcza w przypadku eksperymentów.

Symulacje komputerowe pozwalają naukowcom i inżynierom przeprowadzać specjalistyczne testy w wielu różnych środowiskach, ograniczonych jedynie czasem i zasobami obliczeniowymi. Symulacje dynamiki molekularnej (MD) pozwalają na zastosowanie odpowiednich skal czasowych i długościowych do badania zjawisk będących przedmiotem zainteresowania w wielu nanomateriałach. Symulacje rozszerzają zakres badań nad materiałami, usuwając ograniczenia laboratorium fizycznego, jednak wielu narzędziom obliczeniowym brakuje dostępnych, intuicyjnych interfejsów do badań. Ulepszenia dzięki graficznemu wyświetlaniu modeli, wydajnym algorytmom obliczeniowym i przetwarzaniu opartemu na procesorach graficznych (GPU) uzupełniają obecne wysiłki symulacyjne. Te nowe urządzenia graficzne efektywnie łączą się z jednostkami centralnymi, aby umożliwić wykonywanie matematycznie intensywnych obliczeń przez GPU. Rezultatem jest efektywne przyspieszenie obliczeń rzędu 10x, któremu towarzyszy nawet 20-krotne zmniejszenie zużycia energii.

Celem tego projektu badawczego było opracowanie i wdrożenie nowatorskiego narzędzia do badań nanonauki, które bezpośrednio łączy interaktywny interfejs z symulacjami MD, analizą materiałoznawczą i wizualizacją 3D. Ten innowacyjny system z unikalnymi i potężnymi możliwościami analitycznymi został wykorzystany do badań i edukacji w skali nano na Uniwersytecie Kalifornijskim w Merced, z bezpośrednimi implikacjami dla innych powiązanych dziedzin STEM, takich jak nanotechnologia, fizyka, biologia i geologia, a także z ostatecznymi korzyściami dla edukacji i społeczeństwa.

System Wizualizacji 3D/VR został wdrożony zarówno jako instrument badawczy, jak i dydaktyczny, który umożliwia tworzenie i manipulowanie strukturami atomowymi w interaktywnym środowisku wirtualnej rzeczywistości 3D (VR). System został stworzony z zestawu stosunkowo tanich i dostępnych komponentów zgodnie z modelem pierwotnie opracowanym przez dr Olivera Kreylosa z UC Davis¹.

Poniżej znajduje się zdjęcie końcowego układu Systemu Wizualizacji 3D/VR, z zaznaczonymi ważnymi komponentami (Rysunek 1). System ten został pierwotnie stworzony do celów edukacyjnych na Uniwersytecie Kalifornijskim w Merced w 2009 roku. Wdrożenie autorskiego systemu 3D/VR zaowocowało recenzowanymi publikacjami^2-3. Poniższa tabela 1 podsumowuje kluczowe cechy każdego elementu Systemu Wizualizacji 3D/VR.

Rysunek 1. System wizualizacji 3D/VR i główne komponenty (po lewej) w Laboratorium Badawczym Davila na UCM oraz urządzenia wizualizacyjne (po prawej). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

przedmiot	składnik	Funkcjonalność w systemie
ZA	Telewizja 3D	Wyświetlanie 3D modelowanych struktur molekularnych i menu ekranowych.
W	Kamery śledzące na podczerwień(IR) 4	Kamery na podczerwień śledzą pozycje Wiimote i gogli 3D w przestrzeni roboczej użytkownika przed telewizorem 3D, umożliwiając wirtualną manipulację 3D wyświetlanymi strukturami.
Z	Komputer śledzący	Uruchamia oprogramowanie do śledzenia kamery na podczerwień i przesyła pozycje Wiimote i gogli 3D do komputera modelarskiego.
D	Wiimote	Służy do zarządzania oprogramowaniem do modelowania na ekranie oraz do manipulowania konstrukcjami w wirtualnym środowisku 3D.
E	Gogle 3D5	Zsynchronizowany z sygnałem 3D TV IR, umożliwia widok 3D konstrukcji. Pozycja śledzona przez kamery na podczerwień w celu uzyskania dokładnego widoku 3D.
Z	Komputer do modelowania	Uruchamia oprogramowanie do modelowania i wyświetlania 3D NCK/VRUI6, akceptuje sygnały pozycyjne i sterujące gogli / Wiimote w celu stworzenia dokładnego widoku struktury molekularnej 3D.

Tabela 1. Funkcjonalność głównych elementów Systemu Wizualizacji 3D/VR na UCM.

Opis systemu wizualizacji 3D/VR i podstawowych komponentów:

Przegląd systemu wizualizacji 3D/VR — System wizualizacji 3D/VR składa się z zestawu kamer na podczerwień i oprogramowania śledzącego działających w połączeniu z oprogramowaniem do modelowania 3D, aby umożliwić użytkownikowi interaktywne tworzenie struktur molekularnych 3D. Kamery na podczerwień i oprogramowanie śledzą lokalizację 3D Wiimote i gogle do oglądania 3D za pomocą znaczników IR i przekazują je do oprogramowania do modelowania. Oprogramowanie do modelowania wykorzystuje sygnały sterujące i ruch Wiimote do generowania struktur molekularnych 3D, które można zobaczyć za pomocą połączenia wielkoformatowego telewizora z obsługą 3D z synchronizowanymi i śledzonymi goglami 3D. W ten sposób powstaje przestrzeń robocza 3D rzeczywistości wirtualnej, w której użytkownik może dynamicznie tworzyć i manipulować wirtualnymi strukturami molekularnymi, które odzwierciedlają rzeczywiste zachowanie fizyczne w oparciu o siły międzyatomowe używane w oprogramowaniu do modelowania (rysunek 2). Specjalne uwagi dotyczące konfiguracji tego systemu można znaleźć w materiałach dodatkowych.

Rysunek 2. Badanie nanomateriałów krzemionkowych z wykorzystaniem Systemu Wizualizacji 3D/VR. (a) Badacz tworzy wstępny model krystobalitowy (krystaliczny) przed symulacjami opartymi na GPU. (b) Po przeprowadzeniu symulowanej procedury wygaszania MD ze stopu na modelu pokazanym w (a), inny badacz otrzymuje model szkła krzemionkowego (niekrystalicznego). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ulepszenie systemu wizualizacji 3D/VR — Możliwość symulacji MD:

Systemy symulacji dynamiki molekularnej są zwykle implementowane w sposób wielowęzłowy, co oznacza, że duże obciążenie jest dystrybuowane lub równoległe między dziesiątkami do tysięcy procesorów. Ostatnio pojawiły się dodatkowe możliwości przyspieszonych obliczeń naukowych wynikające z rozwoju przetwarzania grafiki komputerowej. Do osiągnięć tych należy interfejs oprogramowania, który pozwala naukowcom wykorzystać wysoce równoległy charakter mocy obliczeniowej nieodłącznie związanej z układami graficznymi. Wraz z pojawieniem się architektury Compute Unified Device Architecture (CUDA⁷) naukowcy mogą używać procesorów graficznych⁸ do zwiększania szybkości rozwiązywania problemów przy jednoczesnym obniżeniu kosztów infrastruktury. Typowy procesor graficzny może mieć odpowiednik setek do tysięcy rdzeni lub "węzłów" do przetwarzania informacji, a ponieważ każdy z nich może być używany równolegle, dobrze zakodowane rozwiązanie może zapewnić nawet 1000-krotne przyspieszenie przepustowości w porównaniu z jego wielordzeniowym odpowiednikiem. Chociaż nie każdy problem dobrze pasuje do tego podejścia, obecne symulacje MD wykazały nawet 15-krotny wzrost przepustowości⁹. Szczegóły na temat ulepszenia systemu wizualizacji 3D/VR MD-GPU można znaleźć w materiałach uzupełniających.

Protocol

1. Zainstaluj oprogramowanie do modelowania 3D/VR na komputerze do modelowania

1. Zainstaluj podstawowy system operacyjny LINUX na komputerze modelarskim (Ubuntu x86 / AMD64 w zależności od sprzętu).
2. Zmodyfikuj podstawowy system operacyjny LINUX.
   1. Zainstaluj biblioteki i dodaj funkcje w razie potrzeby.
3. Zainstaluj oprogramowanie do modelowania VRUI i NCK 3D/VR na Modeling PC⁶.
   1. Sprawdź powiązane strony internetowe^1,6, aby uzyskać najnowsze wersje wszystkich komponentów oprogramowania do modelowania.
   2. Kompilacja, konfiguracja i testowanie niechronionych użytkowników dróg (VRUI).
   3. Zainstaluj i przetestuj NCK.

2. Konfiguracja systemu śledzenia¹

1. Zamontuj kamery śledzące na podczerwień⁴
   1. Utwórz sztywną ramę do zawieszania kamery bezpośrednio nad przednią krawędzią telewizora 3D w pobliżu sufitu, aby uzyskać najlepsze pokrycie. Zamontuj 3 kamery na obrotowych uchwytach bezpośrednio nad przednimi rogami i przednią środkową częścią telewizora 3D. Upewnij się, że kąt pokrycia każdej kamery ociera się tylko o przednią powierzchnię telewizora.
   2. Ustaw kamery tak, aby najszerszy kąt pokrycia (45 stopni) był równoległy do przodu telewizora 3D. Użyj węższego kąta pokrycia (30 stopni) prostopadłego do przodu telewizora 3D. Pozwól na maksymalne zachodzenie na siebie w żądanej przestrzeni roboczej 3D. Upewnij się, że obiekty znajdują się w polu widzenia co najmniej dwóch kamer, które mają być pomyślnie śledzone (Rysunek 3).
      
      Rysunek 3. Pokrycie kamery śledzącej w podczerwieni w celu maksymalizacji przestrzeni roboczej 3D przed telewizorem. Części (A) i (B) pokazują widok z przodu i z boku w odniesieniu do systemu wizualizacji 3D/VR. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
2. W razie potrzeby poeksperymentuj z alternatywnym rozmieszczeniem kamery, aby utworzyć odpowiednią przestrzeń roboczą 3D. Może to być wymagane, jeśli odległość montażu kamery w pionie jest ograniczona.
3. Zainstaluj i skalibruj oprogramowanie śledzące
   1. Zainstaluj zestaw narzędzi OptiTrack Rigid Body Toolkit na komputerze śledzącym, korzystając z dołączonej instrukcji instalacji.
   2. Ustaw wartości Próg, Ekspozycja, Natężenie oświetlenia w zależności od otoczenia i ustaw jakość przechwytywania na wysoką, zgodnie z instrukcjami oprogramowania śledzącego.
   3. W przypadku przechwytywania różdżki należy uważać, aby usunąć wszystkie inne materiały odblaskowe z przestrzeni roboczej 3D. Poruszaj się płynnie po obszarze roboczym nakładającym się na kamerę za pomocą odblaskowej różdżki. Powtarzaj tę czynność, aż uzyskasz błędy standardowe i średnie poniżej "0.5", a następnie zapisz plik kalibracyjny.
   4. Ustawić płaszczyznę podłoża, aby ustanowić początek układu współrzędnych śledzonego obszaru roboczego 3D. Zdefiniuj obiekty śledzone za pomocą Wiimote i gogli 3D zgodnie z instrukcjami oprogramowania śledzącego.
4. Pełna kalibracja niechronionych użytkowników dróg (VRUI)
   1. Ustaw VRUI tak, aby akceptował informacje o śledzeniu z komputera śledzącego.
   2. Sprawdź funkcjonalność śledzenia w niechronionym środowisku za pomocą narzędzia do kalibracji DeviceTest.
   3. Wyrównaj układy współrzędnych oprogramowania do wyświetlania i śledzenia 3D VRUI.
   4. Ustaw orientację śledzonych gogli Wiimote i 3D za pomocą oprogramowania do wyrównywania AlignTrackingMarkers.

3. Przygotuj system modelowania 3D do użycia

1. Przed rozpoczęciem usuń całą biżuterię odblaskową (tj. zegarki, kolczyki, metale itp.). Nie zdejmuj okularów korekcyjnych potrzebnych do skupienia się na ekranie.
2. Montaż sprzętu do Systemu Wizualizacji 3D/VR:
   1. Komputer modelarski
   2. Komputer śledzący
   3. Wielkoformatowy telewizor 3D
   4. wideo między komputerem modelarskim a telewizorem 3D
   5. Emiter podczerwieni 3D do telewizji 3D
   6. Ethernet do modelowania i śledzenia komputerów
   7. Wiimote z tropiącym porożem (kontroler)
   8. Gogle 3D z porożem śledzącym (gogle 3D)⁵
3. Ostrożnie umieść kontroler w miejscu, w którym można do niego łatwo dotrzeć z komputera modelarskiego, uważając, aby nie dotknąć ani nie przesunąć dołączonych do niego sferycznych znaczników śledzenia IR.
4. Ostrożnie umieść gogle 3D na stojaku pod telewizor (tak jak poprzednio, pamiętaj, aby nie dotykać odblaskowych znaczników).
5. Podłącz trzy USB z kamer na podczerwień zamontowanych nad telewizorem 3D do 3 portów USB w komputerze śledzącym, gdy jest on wyłączony.
6. Znajdź pilota do telewizora 3D i umieść go przed telewizorem 3D.
7. Podłącz wideo do karty graficznej w komputerze modelarskim i do wejścia wideo telewizora 3D. Podłącz również nadajnik podczerwieni 3D, aby uzyskać wyjście synchronizacji 3D z telewizora 3D i umieść nadajnik na stojaku telewizyjnym w pobliżu telewizora, skierowany w górę, w kierunku miejsca, w którym będą używane gogle. BĄDŹ BARDZO OSTROŻNY, aby nie przesunąć pozycji skalibrowanego telewizora.
8. Włącz telewizor 3D przed włączeniem komputera modelarskiego, aby zapewnić prawidłowe rozpoznawanie przez komputer.
9. Włącz komputer do modelowania. Po uruchomieniu komputera modelującego z wierszem logowania zaloguj się na komputerze modelującym w systemie LINUX na odpowiednie konto.
10. Gdy pulpit komputera modelarskiego będzie dostępny, użyj pilota telewizora 3D, aby sprawdzić stan połączenia wideo, naciskając przycisk "info/i". Upewnij się, że na ekranie telewizora w lewym górnym rogu wyświetlany jest napis "1920x1080 @ 60hz". Jeśli nie, uruchom ponownie komputer modelarski, aby ustalić prawidłowe rozpoznawanie telewizora 3D. Upewnij się również, że telewizor jest w trybie wyjścia 3D 2, korzystając z menu ustawień pilota.
11. Na pulpicie komputera modelarskiego otwórz okno terminala z kilkoma kartami.
12. Na komputerze śledzącym sprawdź adres IP karty Ethernet, wpisując "ipconfig" w oknie poleceń.
13. Na komputerze modelującym otwórz kartę okna terminala i sprawdź w pliku VRDevices.cfg, czy wartość "serverName" definiuje adres IP adaptera Ethernet komputera śledzącego.
14. W razie potrzeby zmień adres IP "serverName" w VRDevices.cfg, aby pasował do adaptera Ethernet komputera śledzącego, i zapisz VRDevices.cfg.
15. Na komputerze śledzącym uruchom oprogramowanie OptiTrack Rigid Body Tool.
16. Poczekaj, aż oprogramowanie całkowicie się otworzy, a następnie kliknij duży przycisk w pobliżu górnego menu oznaczony "Wynik kalibracji obciążenia".
17. Przejdź do odpowiedniego pliku kalibracji aparatu i otwórz go.
18. Po załadowaniu pliku kliknij menu "Plik" i wybierz "Załaduj definicje brył sztywnych".
19. Przejdź do odpowiedniego pliku definicji sztywnego ciała dla śledzonego kontrolera i gogli 3D i otwórz gogle.
20. W skrajnym prawym okienku oprogramowania śledzącego znajdź sekcję oznaczoną "Przesyłanie strumieniowe", rozwiń sekcję i w kategorii "VRPN Streaming" sprawdź, czy podany numer portu to 3883, a następnie zaznacz pole "Dane ramki rozgłoszeniowej" w kategorii "VRPN Streaming Engine".
21. Na komputerze modelarskim upewnij się, że kontroler jest albo bezpośrednio w ręku, albo natychmiast osiągalny (maksymalnie 2 sekundy
).
22. Na komputerze modelującym wyświetl kartę w oknie terminala utworzoną wcześniej w tej sesji i przejdź do oprogramowania VRDeviceDaemon, a następnie zainicjuj je, np. wpisując "./VRDeviceDaemon".
23. Postępuj zgodnie z instrukcjami, aby "nacisnąć jednocześnie przyciski 1 i 2 na Wiimote". Jeśli działanie zakończyło się pomyślnie, w oknie pojawi się teraz komunikat "VRDeviceServer: Oczekiwanie na połączenie klienta".

4. Przetestuj system wizualizacji 3D/VR za pomocą oprogramowania NCK

Poniższy zestaw instrukcji opisuje, jak korzystać z menu ekranowych oprogramowania NCK do tworzenia funkcji narzędzia kontrolera, a następnie jak zbudować i manipulować nanorurką węglową w przestrzeni roboczej 3D/VR z atomów węgla (Rysunek 4). Instrukcje dotyczące pomiaru wynikowych kątów i odległości wiązania (krok 4.4.10) są dostępne online¹⁰.

Rysunek 4. Student studiów licencjackich wykorzystujący System Wizualizacji 3D/VR do badania nanorurek węglowych (CNT). Zdjęcia (A)-(F) pokazują proces budowy jednościennego CNT. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

1. W oknie terminala komputera modelowania utworzonym w kroku 3.11 wybierz trzecią zakładkę. Aby uruchomić oprogramowanie NCK, przejdź do katalogu instalacyjnego NCK i wpisz:
   "./NanotechConstructionKit -rootSection localhost -domainsize 36".
2. Bardzo uważając, aby nie dotknąć ani nie poluzować dołączonych znaczników śledzących, załóż gogle 3D i podnieś kontroler. Dostosuj pozycję oglądania głowy/gogli, aby upewnić się, że gogle 3D odbierają sygnał synchronizacji nadajnika podczerwieni 3D TV, umożliwiając oglądanie 3D/VR na ekranie telewizora.
3. Aby mieć zestaw narzędzi do dodawania, przesuwania i usuwania atomów, przypisz skojarzenia poleceń NCK do przycisków na kontrolerze w następujący sposób:
   1. Wywołanie głównego menu ekranowego NCK poprzez naciśnięcie i przytrzymanie przycisku Home na Wiimote, przejście do pozycji menu "Override Tools" i wybranie jej, a następnie zwolnienie przycisku Home. Pozwala to na przypisanie poleceń do różnych przycisków na kontrolerze niezależnie od siebie.
   2. Aby skojarzyć przycisk spustowy Wiimote (na spodzie kontrolera) z działaniem manipulowania atomami w NCK, naciśnij i przytrzymaj przycisk spustu, przejdź do menu ekranowego NCK do "Dragger" i wybierz "6-DOF Dragger", a następnie zwolnij spust. Wyzwalacz jest teraz związany z działaniem manipulowania atomami.
   3. Aby przypisać funkcję dodawania atomu do przycisku "+" na Wiimote, przesuń menu główne do góry, naciskając i przytrzymując przycisk Home, przejdź do "Typy jednostek strukturalnych" i wybierz "Trójkąt", a następnie zwolnij przycisk Home.
   4. Następnie naciśnij i przytrzymaj przycisk "+", przejdź do "Dragger" i wybierz "6-DOF Dragger", a następnie zwolnij przycisk "+". Przycisk "+" jest teraz powiązany z tworzeniem nowych atomów wybranego typu (w tym przypadku atomy węgla reprezentowane przez trójkąty).
   5. Aby przypisać funkcję usuwania atomu do przycisku "-" na Wiimote, otwórz menu główne, naciskając i przytrzymując przycisk "Home", a następnie przejdź do "Typy jednostek strukturalnych" i wybierz "Usuń wybrane jednostki", a następnie zwolnij przycisk Home.
   6. Następnie naciśnij i przytrzymaj przycisk "-", przejdź do "Dragger", a następnie "6-DOF Dragger" i zwolnij przycisk "-". Przycisk "-" jest teraz powiązany z usuwaniem atomów.
   7. Postępuj zgodnie z podobną procedurą, aby przypisać funkcje "Zablokuj wybrane jednostki" do przycisku "1" Wiimote i "Odblokuj wybrane jednostki" do przycisku kontrolera "2".
4. Po skonfigurowaniu przycisków kontrolera utwórz nanorurkę węglową za pomocą NCK w następujący sposób:
   1. Za pomocą przycisku "+" dodaj dwa trójkątne atomy węgla o 3 wiązaniach do obszaru roboczego NCK. Manipuluj nimi za pomocą przycisku wyzwalacza, aż połączą się w wierzchołku.
   2. Dodaj jeszcze 4 atomy węgla, aby stworzyć sześciokątny kształt gwiazdy.
   3. Korzystając z menu "Strona główna", przejdź do "Menu I/O", a następnie "Zapisz jednostki".
   4. Odsuń 6-ramienną strukturę od jej bieżącej pozycji.
   5. Korzystając z menu "Home", przejdź do "I/O Menus", a następnie "Load Units .
   6. Powtarzaj ostatnie 2 kroki, aż zostanie utworzony arkusz sześciokątnych 6-atomowych pierścieni o wymiarach 6 na 6 (Rysunek 5A).
   7. Za pomocą przycisku "1" zablokuj jeden atom w górnym rzędzie i przeciwny atom w dolnym rzędzie. Zablokowane atomy zostaną oznaczone kolorem różowym (rysunek 5B).
   8. Za pomocą przycisku spustu ostrożnie przesuń jeden z zablokowanych atomów po łuku kołowym, aż jego wolny wierzchołek zbliży się do wolnego wierzchołka przeciwległego zablokowanego atomu. Zielona linia pojawi się między wierzchołkami, gdy znajdą się one na tyle blisko, że przyciąganie atomowe spowoduje ich połączenie wiązaniem (rysunek 5C). Po pomyślnym połączeniu odblokuj oba atomy za pomocą przycisku "2".
   9. Kontynuuj podobne blokowanie, łączenie i odblokowywanie przeciwległych wierzchołków atomowych w arkuszu węglowym, skutecznie "zapinając" arkusz w końcową nanorurkę węglową (rysunki 5D-5F).
      
      Rysunek 5. Stopniowe tworzenie jednościennego CNT pokazującego (A) arkusz 6 x 6 (grafen) sześciokątnych pierścieni węglowych, (B) przeciwstawne atomy węgla "zablokowane" (pokazane jako różowe trójkąty), aby umożliwić łatwiejszą manipulację realistycznymi siłami międzyatomowymi, (C) arkusz węgla (grafenu) starannie zakrzywiony, aby umożliwić wiązanie między atomami po przeciwnych stronach, (D) dwa dodatkowe przeciwstawne atomy węgla zablokowane w celu wspomagania dalszej krzywizny arkusza węglowego, (E) dodatkowe przeciwstawne atomy węgla połączone w celu kontynuacji krzywizny arkusza węglowego w nanorurkę, oraz (F) końcowy CNT utworzony po sekwencyjnym związaniu przeciwstawnych atomów oryginalnego arkusza węglowego (grafenu). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
   10. Gdy nanorurka jest gotowa, użyj narzędzi pomiarowych na ekranie, aby potwierdzić kąty konstrukcyjne i odległości¹⁰.

5. Wizualizacja modeli symulacyjnych dynamiki molekularnej

1. Zaimportuj początkowy krystaliczny model sześcienny SiO₂ do oprogramowania 3D/VR NCK i zbadaj początkową strukturę (patrz rysunek 2A).
2. Programy open source MDCASK¹¹ i LAMMPS¹² stały się celem ataków ze względu na funkcje, które dobrze pasują do tego obszaru badań. Ten ostatni program jest używany w tej pracy ze względu na jego zróżnicowane potencjały międzyatomowe i możliwości obliczeniowe GPU. Korzystając z pakietu LAMMPS MD¹², uruchom symulowaną procedurę topnienia/hartowania na tej początkowej strukturze, aby wytworzyć amorficzną strukturę SiO₂. Szczegółowe informacje na temat tej symulowanej procedury można znaleźć w poprzednich publikacjach^13-15.
3. Zaimportuj powstały nowy amorficzny (nieuporządkowany) model SiO₂ do oprogramowania 3D/VR NCK i zbadaj strukturę (patrz rysunek 2B).
4. Utwórz nasprężynę/nanowstęgę SiO₂ z nowego amorficznego ciała stałego, korzystając z kodu open source NanospringCarver¹⁶ i powiązanej dokumentacji instruktażowej¹⁷ (rysunek 6).
   Rysunek 6. Ilustracja procesu selekcji atomów krok po kroku na różnych etapach tworzenia nanosprężyny za pomocą programu NanospringCarver. Części (A-D) wskazują 25%, 50%, 75% i 100% ukończenia tego procesu¹⁷. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
5. Użyj pakietu LAMMPS MD, aby przeprowadzić symulacje rozciągania na sprężynie/nanowstążce (ilustracja 7). Szczegółowe informacje na temat tej procedury można znaleźć w poprzedniej publikacji¹⁵.
   
   Rysunek 7. Migawka obrazu z wyników symulacji rozciągania spiralnej nanostruktury krzemionkowej (nanowstążki) LAMMPS MD.
6. Użyj narzędzi programowych open source: VMD (Visualize Molecular Dynamics)¹⁸, ImageMagick¹⁹ i FFmpeg²⁰, aby tworzyć migawki i animacje spiralnej nanostruktury podczas tej symulacji (animowany rysunek 1), do prezentacji w systemie wizualizacji 3D/VR. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Animowany rysunek 1. Animacja symulacji rozciągania spiralnej nanostruktury.

Results

Ten system wizualizacji 3D/VR oferuje nowe możliwości prowadzenia badań materiałoznawczych. Ponieważ to immersyjne środowisko działa w czasie rzeczywistym, w formie danych wejściowych i wyświetlania 3D, badacz ma do dyspozycji w pełni interaktywny instrument w nanoskali². Postępując zgodnie z przedstawionym tutaj protokołem, spiralna nanowstążka krzemionkowa została stworzona w ten sposób krok po kroku. Migawka tej struktury uzyskanej z LAMMPS MD jest pokazana na rysunku 7. Konstrukcja ta zost...

Discussion

Kluczowe elementy udanej instalacji i użytkowania Systemu Wizualizacji 3D/VR są szczegółowo opisane w Zagadnieniach dotyczących środowiska fizycznego i projektowania oraz Rozważania specjalne w materiałach dodatkowych. Ważne kwestie związane z instalacją obejmują wysokość wyświetlacza 3D zapewniającą wygodne długotrwałe użytkowanie w pozycji stojącej lub siedzącej, zmaksymalizowaną wysokość zamontowanej kamery śledzącej w celu stworzenia dużego obszaru roboczego 3D, stabilną kamerę śledz...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
61-calowy telewizor DLP o wysokiej rozdzielczości Samsung z obsługą 3D	Samsung	http://www.samsung.com/us/video/tvs	Patrz Protokół Rozdział 3 (Krok 3.2)  (Wielkoformatowy telewizor z obsługą 3D)
Komputer do modelowania Alienware Area51 750i	Alienware	http://www.alienware.com	Patrz Protokół Rozdział 1 (Krok 1.1)  (Komputer modelarski)
Komputer śledzący HP EliteBook 8530w	HP	a href="http://www.hp.com/">http://www.hp.com	Patrz Rozdział 2 protokołu (krok 2.3)  (Komputer śledzący)
V100:Kamery śledzące R2 IR (3)	Naturalpoint	http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/	Patrz Rozdział 2 protokołu (Krok 2.1) i Odniesienie [4]  (Kamery śledzące)
Narzędzia do śledzenia OptiTrack Oprogramowanie do śledzenia w podczerwieni	Naturalpoint	http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/	Patrz Rozdział 2 protokołu (Krok 2.3) i Odniesienie [4]  (Oprogramowanie śledzące)
Gogle 3D i nadajnik podczerwieni 3D TV	Ilixco	http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html	Patrz Rozdział 3 protokołu (Krok 3.2) i Odniesienie [5]  (gogle 3D)
Kontroler Wiimote 3D	Nintendo	http://www.nintendo.com/wii	Patrz Protokół Sekcja 3 (Krok 3.2)  (Wiimote)
VRUI, NCK i powiązane oprogramowanie do modelowania 3D/VR Oprogramowanie	open source	http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html	Patrz Protokół Sekcja 1 (Krok 1.3) i Odnośniki [1,6]  (VRUI, NCK)
Oprogramowanie do dynamiki molekularnej LAMMPS Oprogramowanie	open source	http://lammps.sandia.gov/	Patrz Rozdział 5 Protokołu (Krok 5.2) i Odniesienie [12]  (ŁAJDAKI)
Kod i pliki programu NanospringCarver	UC Merced - open source	http://tinyurl.com/qame8dj	Patrz Protokół Sekcja 5 (Krok 5.4) i Odnośniki [16-17]  (Rzeźbiarz Nanospring)
Pliki GUI MATLAB	UC Merced - open source	http://tinyurl.com/qame8dj	Patrz Protokół Sekcja 5 (Krok 5.4) i Odnośniki [16-17]  (Rzeźbiarz Nanospring)
Atomistyczny plik wejściowy szkła luzem	UC Merced - open source	http://tinyurl.com/qame8dj	Patrz Protokół Sekcja 5 (Krok 5.4) i Referencje [16-17]  (Rzeźbiarz Nanospring)