Nowatorskie interaktywne środowisko 3D/VR do symulacji, wizualizacji i analizy MD
December 18th, 2014
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.
Ogólnym celem tej procedury jest wizualizacja i analiza trójwymiarowego zachowania nanostruktury w świecie rzeczywistym. W tym celu należy najpierw stworzyć interaktywny system wizualizacji 3D z możliwością symulacji. Drugim krokiem jest konstruowanie i badanie nanostruktur 3D w środowisku interaktywnym.
Następnie z wybranego materiału sypkiego przygotowywana jest struktura nanospiralna 3D, a system służy do przeprowadzania symulacji rozciągania lub innych. Ostatnim krokiem jest wizualizacja i analiza wynikowego 3D rzeczywistego zachowania atomistycznego nanostruktury. Ostatecznie, system wizualizacji 3D w tej pracy może być wykorzystany do badania realistycznych nanostruktur za pomocą dynamiki molekularnej lub symulacji MD w kierunku badań nad innowacjami materiałowymi.
Pomysł na tę metodę wpadł mi na Uniwersytet Kalifornijski w Davis, kiedy współpracowałem z dr Oliverem k Craigo nad wykorzystaniem tej technologii do badań i uczenia się, szczególnie w dziedzinie science. 3D materiałów, wizualizacja i interakcja są ważnymi narzędziami do eksploracji i analizy materiałów obliczeniowo. Mamy więc nadzieję, że ten wysiłek pomoże innym w rozwoju Dalszą demonstracją tej procedury będzie Miguel Diaz, doktorant z mojego laboratorium.
Na początek utwórz sztywną ramę zawieszenia kamery bezpośrednio nad przednią krawędzią telewizora obsługującego 3D w pobliżu sufitu, aby uzyskać najlepsze pokrycie. Zamontuj trzy, podczerwień lub podczerwień. Kamery na obrotowych mocowaniach bezpośrednio nad przednimi rogami i przednią środkową częścią telewizora 3D.
Upewnij się, że kąt pokrycia każdej kamery ociera się tylko o przednią powierzchnię telewizora. Następnie zmontuj i skonfiguruj sprzęt i oprogramowanie do systemu wizualizacji wirtualnej rzeczywistości 3D lub 3D VR zgodnie z opisem w protokole tekstowym, 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. Ostrożnie umieść gogle 3D na stojaku pod telewizor, unikając odblaskowych znaczników po dodatkowej konfiguracji.
Zgodnie z opisem w protokole tekstowym otwórz okno terminala z kilkoma zakładkami na pulpicie komputera modelarskiego na komputerze śledzącym. Sprawdź adres IP karty Ethernet, wpisując konfigurację IP w oknie poleceń na komputerze modelującym. Otwórz kartę okna terminala i sprawdź w pliku cfg urządzeń VR dot, czy nazwa serwera określa adres IP adaptera Ethernet komputera śledzącego na komputerze śledzącym.
Poczekaj, aż oprogramowanie narzędzia do sztywnego nadwozia opti track całkowicie się otworzy. Następnie kliknij duży przycisk w pobliżu górnego menu oznaczonego jako wynik kalibracji obciążenia. Przejdź do odpowiedniego pliku kalibracji aparatu i otwórz go.
Po załadowaniu pliku kliknij menu Plik i wybierz opcję Wczytaj definicje bryły sztywnej. Przejdź do odpowiedniego pliku definicji sztywnego ciała dla śledzonego kontrolera i gogli 3D w najbardziej prawym okienku oprogramowania śledzącego. Znajdź sekcję oznaczoną jako przesyłanie strumieniowe i rozwiń sekcję w kategorii przesyłania strumieniowego VRPN.
Sprawdź, czy podany numer portu to 3 8 8 3 i zaznacz pole danych ramki emisji w kategorii silnika strumieniowego VRPN na komputerze modelującym. Wyświetl kartę w oknie terminala utworzoną wcześniej w tej sesji. Przejdź do i zainicjuj oprogramowanie demona urządzenia VR.
Następnie postępuj zgodnie z instrukcjami, aby jednocześnie nacisnąć przyciski pierwszy i dwa na WiMo. Jeśli działanie zakończyło się pomyślnie, w oknie zostanie teraz wyświetlony serwer urządzeń VR oczekujący na połączenie klienta w utworzonym wcześniej oknie terminala komputera modelowania. Wybierz trzecią zakładkę, aby uruchomić oprogramowanie NCK.
Przejdź do katalogu instalacyjnego NCK i wpisz polecenie pokazane tutaj, a także wymienione w protokole tekstowym, bardzo uważając, aby nie dotknąć ani nie poluzować dołączonych znaczników śledzenia. Załóż gogle 3D i podnieś kontroler. Dostosuj pozycję oglądania gogli na głowę, aby upewnić się, że gogle 3D odbierają sygnał synchronizacji nadajnika podczerwieni 3D TV, umożliwiając oglądanie 3D VR na ekranie telewizora, aby mieć zestaw narzędzi do dodawania, przesuwania i usuwania atomów.
Przypisz skojarzenia poleceń NCK do przycisków na kontrolerze, najpierw naciskając i przytrzymując przycisk home wiimote, co powoduje wyświetlenie głównego menu ekranowego NCK. Przejdź do pozycji menu Zastąp narzędzia i wybierz ją, a następnie zwolnij przycisk Strona główna. Pozwala to na przypisanie poleceń do różnych przycisków na kontrolerze niezależnie od siebie.
Aby skojarzyć przycisk spustowy WiMo z działaniem manipulowania atomami w NCK, naciśnij i przytrzymaj przycisk spustu. Poruszaj się po menu ekranowym NCK, aby przeciągnąć i wybierz przeciągacz o sześciu stopniach swobody przed zwolnieniem spustu. Wyzwalacz jest teraz związany z działaniem manipulowania atomami.
Aby przypisać funkcję dodawania atomu do przycisku plusa na wiimote, przesuń menu główne do góry, naciskając i przytrzymując przycisk home. Przejdź do typów jednostek strukturalnych i wybierz trójkąt przed zwolnieniem przycisku home. Następnie naciśnij i przytrzymaj przycisk plus i wybierz sześć przeciągaczy DOF, jak poprzednio.
Następnie zwolnij przycisk plus. Przycisk plusa jest teraz powiązany z tworzeniem nowych atomów wybranego w tym przypadku typu, atomów węgla reprezentowanych przez trójkąty. Aby przypisać funkcję usuwania atomu do przycisku minus na Wiimote, otwórz menu główne, naciskając i przytrzymując przycisk home.
Następnie przejdź do sekcji Typy jednostek konstrukcyjnych i wybierz opcję usuń wybrane jednostki. Przed zwolnieniem przycisku home naciśnij i przytrzymaj przycisk minus i wybierz sześć przeciągaczy DOF, jak poprzednio. Następnie zwolnij przycisk minus.
Przycisk minus jest teraz powiązany z usuwaniem atomów. Postępuj zgodnie z podobną procedurą, aby przypisać funkcje blokowania wybranych jednostek do jednego przycisku WiMo i odblokowywania wybranych jednostek do dwóch przycisków kontrolera. Po skonfigurowaniu przycisków kontrolera utwórz nanorurkę węglową za pomocą NCK, najpierw używając przycisku plus, aby dodać dwa trójkątne atomy węgla o trzech wiązaniach do obszaru roboczego NCK.
Manipuluj nimi za pomocą przycisku wyzwalacza, aż połączą się w wierzchołku. Następnie dodaj cztery kolejne atomy węgla, aby utworzyć sześciokątny kształt gwiazdy. Korzystając z menu głównego, przejdź do menu wejściowych i wyjściowych, a następnie, aby zapisać jednostki, odsuń sześcioramienną strukturę od jej bieżącej pozycji.
Teraz użyj menu głównego, aby ponownie przejść do menu wejściowych i wyjściowych, a następnie załaduj jednostki. Powtórz ostatnie dwa kroki, aż powstanie arkusz sześciokąta sześć na sześć. Powstało sześć pierścieni atomowych.
Używając zamka jednym przyciskiem, jednego atomu w górnym rzędzie i przeciwstawnego atomu w dolnym rzędzie, zablokowane atomy zostaną oznaczone kolorem różowym. Za pomocą przycisku spustu ostrożnie przesuń jeden z zablokowanych atomów po łuku kołowym, aż się uwolni. Wierzchołek zbliża się do wolnego wierzchołka przeciwległego zablokowanego Adama.
Po pomyślnym połączeniu odblokuj oba atomy za pomocą dwóch przycisków. Kontynuuj podobnie blokowanie, łączenie i odblokowywanie przeciwległych wierzchołków w arkuszu węglowym. Skuteczne zapinanie arkusza w końcową rurkę z nano włókna węglowego.
Zaimportuj początkowy model kabiny krystalicznego dwutlenku krzemu do oprogramowania 3D VR NCK i zbadaj początkową strukturę. Uruchom symulowaną procedurę hartowania w stanie stopionym na tej początkowo uporządkowanej strukturze, aby wytworzyć amorficzną strukturę dwutlenku krzemu. Następnie zaimportuj powstały w ten sposób nowy nieuporządkowany model dwutlenku krzemu do oprogramowania 3D VR NCK i zbadaj strukturę.
Stwórz dwutlenek krzemu, nanosprężynę lub nano wstęgę z nowego amorficznego ciała stałego. Korzystanie z otwartego kodu źródłowego, nano springing carver i powiązanej dokumentacji instruktażowej. Użyj pakietu dynamiki molekularnej lampy, aby przeprowadzić symulacje rozciągania na nano lub nano wstędze, jak podano w innym miejscu.
Na koniec użyj narzędzi programowych typu open source, wizualizuj dynamikę molekularną, magię obrazu i kołek FF m, aby tworzyć migawki i animacje spiralnej nanostruktury podczas tej symulacji lub prezentacji w systemie wizualizacji 3D VR. Przedstawiony tutaj protokół pokazuje, jak stworzyć zintegrowany system laboratoryjny do wysokowydajnej symulacji atomistycznej i interaktywnej wizualizacji 3D nanostruktur. Korzystając z systemu wizualizacji 3D VR, można konstruować i badać złożone nanostruktury, takie jak nanorurki węglowe o rzeczywistym zachowaniu atomowym.
Następnie stworzono spiralną nanowstęgę krzemionkową i poddano ją symulowanym obciążeniom rozciągającym, a wyniki symulacji zostały zwizualizowane w trzech wymiarach w celu zbadania transformacji strukturalnej i uszkodzenia nanostruktury w takich warunkach rozciągania. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś być w stanie przeanalizować i zwizualizować dowolne zachowanie modelu nanostruktury za pomocą systemu wizualizacji 3D, takiego jak ten, który mamy w laboratorium.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł przedstawia nowy system komputerowy, który integruje symulację dynamiki molekularnej przyspieszaną przez GPU z wizualizacją 3D/VR do analizy nanostruktur. System ma na celu ulepszenie badań materiałowych, zapewniając innowacyjne metody eksploracji struktur materiałowych na skalę nano.
Kluczowe komponenty badania
Dziedzina nauki
- Nauki materiałowe
- Nanotechnologia
- Modelowanie komputerowe
Tło
- Zrozumienie nanostruktur jest kluczowe dla postępu w badaniach materiałowych.
- Tradycyjne metody mogą nie skutecznie wizualizować zjawisk na skalę nano.
- Wizualizacja 3D może zapewnić głębsze wgląd w zachowanie materiałów.
- Przyspieszenie GPU zwiększa możliwości symulacji.
Cel badania
- Wizualizacja i analiza zachowania 3D nanostruktur.
- Stworzenie interaktywnego środowiska do symulacji nanostruktur.
- Przeprowadzenie symulacji na przygotowanych nano strukturach śrubowych.
Stosowane metody
- Rozwój interaktywnego systemu wizualizacji 3D.
- Konstrukcja 3D nanostruktur z materiałów masywnych.
- Przeprowadzenie symulacji ściągania i innych symulacji na nanostrukturach.
- Wizualizacja i analiza zachowania atomistycznego po symulacji.
Główne wyniki
- System skutecznie wizualizuje 3D nanostruktury.
- Symulacje zapewniają wgląd w zachowanie materiałów na skalę nano.
- Interaktywne funkcje zwiększają zaangażowanie i zrozumienie użytkowników.
- Wyniki wspierają innowacyjne podejścia w badaniach materiałowych.
Konkluzje
- System wizualizacji 3D jest cennym narzędziem dla innowacji materiałowych.
- Fasciliuje realistyczne badania nanostruktur.
- Przyszłe badania mogą budować na tym systemie dla dalszych osiągnięć.
Często zadawane pytania
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
