Name: Novel 3D / VR ambiente interativo para MD Simulações, visualização e análise (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-12-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 29 s
Description: Explore simulações de dinâmica molecular aceleradas por GPU com visualização 3D/VR interativa para analisar nanostruturas. Este sistema computacional inovador permite investigar comportamentos atômicos em nanoescala para pesquisa em materiais.

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Gostaríamos de agradecer a inspiração original e o amplo apoio que nos foi fornecido para a criação deste sistema pelo Dr. Oliver Kreylos do Instituto de Análise e Visualização de Dados da UC Davis. Seus conselhos e assistência foram fundamentais para o nosso sucesso.
Também gostaríamos de agradecer ao programa NSF BRIGE por fornecer financiamento para este projeto. Este material é baseado no trabalho apoiado pela National Science Foundation sob a concessão nº 1032653.

1. Instale 3D / VR Modeling Software em Modelagem PC <ol><li> Instalar o sistema operacional de base Linux em modelagem PC (Ubuntu x86 / AMD64 dependendo do hardware). </li><li> Modificar sistema operacional de base LINUX. <ol><li> Instalar bibliotecas e adicionar funcionalidades conforme necessário. </li></ol></li><li> Instale VRUI e NCK 3D / software de modelagem VR em Modelagem PC 6. <ol><li> Confira sites relacionados 1,6 para obter as versões mais recentes de todos os componentes de software de modelagem. </li><li> Compilar, configurar e testar VRUI. </li><li> Instale e teste NCK. </li></ol></li></ol> 2. Criar Sistema de Acompanhamento 1 <ol><li> Mount Rastreamento IR Câmeras 4 <ol><li> Criar uma estrutura rígida suspensão câmera diretamente acima da borda frontal da TV 3D perto do teto para melhor cobertura. Montagem 3 câmeras em montagens de giro diretamente acima dos cantos da frente e parte central da frente da TV 3D. Certifique-se que o ângulo de cobertura de cada câmera apenas garrasa a superfície frontal da TV. </li><li> Objectivo as câmaras ter a mais ampla cobertura de ângulo (45 graus) paralela à parte da frente da televisão 3D. Usar um estreito ângulo de cobertura (30 graus), perpendicular à frente da TV 3D. Permitir a sobreposição máxima dentro do espaço de trabalho 3D desejado. Assegurar os objetos estão em vista de, pelo menos, duas câmeras a serem monitorados com sucesso (Figura 3). <img alt="Figura 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig3highres.jpg" width="500" /> Figura 3. Cobertura câmera IR de rastreamento para maximizar a área de trabalho em 3D na frente da TV. Parts (A) e (B) mostram vista frontal e lateral com o respeito do sistema de visualização 3D / VR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig3highres.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura .</a> </li></ol></li><li> Experimente com o posicionamento da câmera alternativo se necessário para criar um adequadoEspaço de trabalho 3D. Isso pode ser necessário se a distância de montagem vertical da câmera é limitada. </li><li> Instalar e Calibrar Tracking Software <ol><li> Instale o OptiTrack rígida Toolkit corpo no computador de rastreamento usando o manual de instalação incluído. </li><li> Set Threshold, Exposição, Iluminação valoriza dependente do meio ambiente e definir a qualidade de captura de alta, conforme detalhado nas instruções do software de rastreamento. </li><li> Para a captura de Wand, ter o cuidado de remover todas as outras material reflexivo do espaço de trabalho 3D. Mover-se suavemente ao longo câmera sobreposição área de trabalho com a varinha reflexivo. Repita até que padrão e média erros abaixo &quot;0.5&quot; são obtidos em seguida, salve o arquivo de calibração. </li><li> Defina o plano de terra para estabelecer coordenar uma área de trabalho 3D rastreados origem do sistema. Definir o goggle Wiimote e 3D objetos rastreados, conforme detalhado nas instruções do software de rastreamento. </li></ol></li><li> Calibração VRUI completa <ol><li> Definir VRUI aceitar tracking informações do computador de rastreamento. </li><li> Verifique rastreamento funcionalidade em VRUI usando DeviceTest utilitário de calibragem. </li><li> Alinhe exibição VRUI 3D e software de rastreamento de sistemas de coordenadas. </li><li> Defina a orientação de rastos Wiimote e 3D usando óculos AlignTrackingMarkers software de alinhamento. </li></ol></li></ol> 3. Prepare Modeling System 3D para Uso <ol><li> Antes de começar, remova todas as jóias reflexivo (ou seja, relógios, brincos, metais, etc.). Não retire óculos corretivos necessários para se concentrar na tela. </li><li> Montar o equipamento para o Sistema de Visualização 3D / VR: <ol><li> Computador Modeling </li><li> Computador de Seguimento </li><li> Grande formato 3D capaz TV </li><li> Cabo de vídeo entre o computador modelagem e TV 3D </li><li> Emissor IR 3D para TV 3D </li><li> Cabos Ethernet para modelagem e monitoramento de computadores </li><li> Wiimote com chifres de rastreamento (controlador) </li><li>Óculos 3D com chifres de rastreamento (óculos 3D) 5 </li></ol></li><li> Com cuidado, coloque controlador onde ele pode ser facilmente alcançado a partir do computador de modelagem, tomando cuidado para não tocar ou mover os marcadores de rastreamento IR esféricas ligadas a ele. </li><li> Com cuidado, coloque óculos 3D em suporte de TV (como antes, não se esqueça de evitar tocar os marcadores reflexivos). </li><li> Conecte os três cabos USB das câmeras IR montado acima da TV 3D de 3 portas USB no computador de rastreamento, enquanto ele está desligado. </li><li> Localize o controle remoto da TV 3D e colocá-lo na frente da TV 3D. </li><li> Conecte o cabo de vídeo para a placa de vídeo no computador modelagem e a entrada de vídeo da TV 3D. Também ligar o emissor de IR em 3D para a sincronização de saída 3D da TV 3D, e coloque emissor na TV estão de lado perto da TV, apontando para cima na direção de onde serão utilizados óculos de proteção. Tenha cuidado para não mudar a posição da TV calibrado. </li><li> Vire 3D TV ON antes de ligar o computador modelagem para enCertifique-se o devido reconhecimento pelo computador. </li><li> Ligue o computador de modelagem. Após a inicialização do computador de modelagem para um prompt de login, faça o login no sistema de computador LINUX modelagem para uma conta apropriada. </li><li> Uma vez que a área de trabalho do computador de modelagem está disponível, use o controle remoto da TV 3D para verificar o status da conexão do cabo de vídeo, pressionando o &quot;i info /&quot; botão. Certifique-se de que a tela da TV exibe &quot;1920x1080 @ 60Hz&quot; no canto superior esquerdo. Se não, reinicie o computador de modelagem para estabelecer o reconhecimento correto da TV 3D. Também não se esqueça de TV está em modo 3D de saída 2, usando os menus de configuração de controle remoto. </li><li> Na área de trabalho do computador de modelagem, abra uma janela do terminal com várias guias. </li><li> No computador de rastreamento, verifique o endereço IP do adaptador Ethernet, digitando &quot;ipconfig&quot; em uma janela de comando. </li><li> No computador de modelagem, abrir uma aba janela de terminal e verificar dentro do arquivo VRDevices.cfg que os &quot;servername&quot; defineo endereço IP do adaptador de computador rastreamento ethernet. </li><li> Se for necessário, alterar o &quot;servername&quot; endereço IP em VRDevices.cfg para coincidir com o adaptador ethernet computador de rastreamento, e salvar VRDevices.cfg. </li><li> No computador de rastreamento, iniciar o software rígida ferramenta Corpo OptiTrack. </li><li> Permitir que o software para abrir completamente, em seguida, clique no botão grande perto do menu superior rotulado &quot;Load Calibration Resultado&quot;. </li><li> Procure e abra o arquivo de calibração de câmera apropriado. </li><li> Depois que o arquivo é carregado, clique no menu &quot;Arquivo&quot; e selecione &quot;Carregar definições de corpo rígido&quot;. </li><li> Procure e abra o arquivo de definição de corpo rígido adequado para o controlador rastreados e óculos 3D. </li><li> No painel mais à direita do software de rastreamento, localize a seção intitulada &quot;Streaming&quot;, expanda a seção e sob a categoria &quot;VRPN Streaming&quot;, verifique se o número de porta listado é 3883, então marque a opção &quot;Broadcast &quot;caixa dentro do&quot; quadro de dados categoria VRPN Streaming Engine &quot;. </li><li> No computador de modelagem, certifique-se de que o controlador é ou diretamente na mão ou imediatamente acessível (2 segundos de distância, no máximo). </li><li> No computador de modelagem, abrir uma aba na janela do terminal criado anteriormente nesta sessão e navegar e, em seguida, iniciar o software VRDeviceDaemon, por exemplo, digitando &quot;./VRDeviceDaemon&quot;. </li><li> Siga o prompt para Se a atividade foi bem-sucedida, a janela irá agora mostrar &quot;botões de imprensa 1 e 2 sobre o Wiimote simultaneamente.&quot; &quot;VRDeviceServer: Aguardando a conexão do cliente&quot;. </li></ol> 4. Teste 3D / VR Sistema Visualization Utilizando Software NCK O seguinte conjunto de instruções descreve como usar o software NCK menus na tela para estabelecer funções da ferramenta controlador, e, em seguida, como construir e manipular uma nanotu carbonoestar no espaço de trabalho 3D / VR a partir de átomos de carbono constituintes (Figura 4). As instruções sobre como medir os ângulos de ligação resultantes e distâncias (Passo 4.4.10) estão disponíveis on-line 10. <img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig4highres.jpg" width="500" /> Figura 4. Graduanda utilizando o Sistema de Visualização 3D / VR para estudar os nanotubos de carbono (CNT) Fotos (A) -.. (F) mostram o processo de construção de um single-walled CNT <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig4highres.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura .</a> <ol><li> Dentro da janela de terminal do computador modelagem criada na Etapa 3.11, selecione a terceira aba. Para iniciar o software NCK, navegue até o diretório de instalação do NCK e digite: &quot;./NanotechConstructionKit -rootSection localhost -domainsize 36 &quot;. </li><li> Sendo muito cuidado para não tocar ou soltar os marcadores de rastreamento em anexo, colocar os óculos 3D e pegar o controlador. Ajuste a posição de visualização cabeça / óculos de proteção para garantir óculos 3D estão recebendo 3D TV IR emissor do sinal de sincronismo, permitindo 3D / VR visualização de tela da TV. </li><li> A fim de ter um conjunto de ferramentas para adicionar, mover e excluir átomos, atribuir associações comando NCK para botões no controle da seguinte forma: <ol><li> Abra o menu principal NCK na tela ao pressionar e segurar o botão Home no Wiimote, navegando para e selecionando a opção &quot;Substituir Ferramentas&quot; item de menu, em seguida, liberando o botão Home. Isto permite a atribuição de comandos para diferentes botões no controlador, independentemente um do outro. </li><li> Para associar o botão disparador Wiimote (na parte inferior do controlador) com a ação de manipular átomos dentro NCK, pressione e segure o botão do disparador, navegar pelo menu na tela NCK para &amp; #8220; Dragger &quot;e selecione&quot; 6-DOF Dragger &quot;, em seguida, solte o gatilho. O gatilho é agora associado com a ação de manipular os átomos. </li><li> Para atribuir a função da adição de um átomo para o botão &quot;+&quot; no Wiimote, trazer o menu principal até ao pressionar e segurar o botão Home, navegue para &quot;Tipos de unidade estrutural&quot;, e selecione &quot;Triangle&quot;, em seguida, solte o botão Home . </li><li> Em seguida, pressione e segure o botão &quot;+&quot;, navegue até &quot;Dragger&quot;, e selecione &quot;6-DOF Dragger&quot;, em seguida, solte o botão &quot;+&quot;. O botão &quot;+&quot; agora está associado com a criação de novos átomos do tipo selecionado (átomos de carbono representados por triângulos, neste caso). </li><li> Para atribuir a função de exclusão de um átomo para o botão &quot;-&quot; no Wiimote, abrir o menu principal, pressionando e segurando o botão &quot;Home&quot;, em seguida, navegue para &quot;Tipos de unidade estrutural&quot; e selecione &amp; #8220; Excluir unidades selecionadas &quot;, em seguida, solte o botão Home. </li><li> Em seguida, pressione e segure o botão -, navegue até &quot;Dragger&quot;, depois &quot;6-DOF Dragger,&quot; e solte o &quot;botão&quot; - &quot;&quot;. O botão &quot;-&quot; agora está associado com a exclusão de átomos. </li><li> Siga um procedimento semelhante ao atribuir as funções de &quot;bloqueio de unidades selecionadas&quot; para o botão &quot;1&quot; Wiimote, e &quot;Desbloquear unidades selecionadas&quot; para o botão &quot;2&quot; controlador. </li></ol></li><li> Uma vez que os botões do controle tenham sido configuradas, criar um nanotubo de carbono usando NCK como segue: <ol><li> Usando o botão &quot;+&quot;, adicione dois átomos de carbono triangulares de 3 títulos para o espaço de trabalho NCK. Manipular esses usando o botão de disparo até que se juntem em um vértice. </li><li> Adicionar mais 4 átomos de carbono de criar uma forma hexagonal estrela. </li><li> Usando o menu &quot;Home&quot;, navegue até &quot;I / O Menus&quot;, depois em &quot;Unidades Salvar. </li><li> Mova a 6 estrutura pontiaguda longe de sua posição atual. </li><li> Usando o menu &quot;Home&quot;, navegue até &quot;I / O Menus&quot;, depois em &quot;unidades de carga. </li><li> Repetir os últimos dois passos até que uma folha de anéis hexagonais 6-6 por 6 átomos foi criada (Figura 5A). </li><li> Usando o botão &quot;1&quot;, bloquear um átomo em linha superior, e um átomo adversária na linha de fundo. Os átomos bloqueadas serão marcados com uma cor-de-rosa (Figura 5B). </li><li> Usando o botão de disparo, mover cuidadosamente um dos átomos fechados em um arco circular até o vértice livre se aproxima o vértice livre do átomo trancada opostas. A linha verde aparecerá entre os vértices quando eles estão perto o suficiente de que a atração atômica vai levá-los a se juntar com uma ligação (Figura 5C). Depois juntou-se com sucesso, desbloquear ambos os átomos utilizando o botão &quot;2&quot;. </li><li> Continue semelhante bloqueio, juntando-se, e desbloquear adversária ver atômicacas na folha de carbono, de forma eficaz &quot;fechando&quot; a folha em um nanotubo de carbono final (figuras 5D-5F). <img alt="Figura 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig5highres.jpg" width="500" /> Figura 5. Passo-sábio criação de um único de paredes CNT que mostra (A) uma folha de 6 x 6 (grafeno) de anéis hexagonais de carbono, (B) opostas átomos de carbono &quot;bloqueado&quot; (mostrado como triângulos rosa) para permitir uma manipulação mais fácil contra forças interatómicas realistas, (C) de carbono (grafeno) folha cuidadosamente curvo para permitir a ligação entre os átomos em lados opostos, (D) dois átomos de carbono adicionais opostas bloqueadas para ajudar ainda mais a curvatura de folha de carbono, (E) átomos de carbono adicionais, opondo-se ligado ao carbono continuar folha de curvatura em um nanotubo, e (F) CNT formado final depois da ligação sequencial de átomos opostas do original cfolha arbon (grafeno). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig5highres.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> </li><li> Quando o nanotubo é completo, use ferramentas de medição na tela para confirmar ângulos e distâncias estruturais 10. </li></ol></li></ol> 5. Visualização de Dinâmica Molecular Modelos de Simulação <ol><li> Importar um modelo cúbico inicial SiO 2 cristalino para o software 3D / VR NCK, e investigar a estrutura inicial (ver Figura 2A). </li><li> Programas de código aberto MDCASK 11 e LAMMPS 12 foram alvo por causa de características que são bem adaptadas a este foco de investigação. O último programa é usado neste trabalho dadas as suas potencialidades interatómicas variadas e capacidade de computação GPU. Utilizando o pacote LAMMPS MD 12, executar um melt simulado / saciar procedimento nesta estrutura inicial para produzir um amorfo SiO 2 st<html> ructure. Os detalhes deste procedimento simulado pode ser encontrada em publicações anteriores 13-15. </li><li> Importar o novo amorfo (desordenada) SiO2 modelo resultante para o software 3D / VR NCK e investigar a estrutura (ver Figura 2B). </li><li> Criar um SiO 2 nanospring / nanoribbon fora do novo sólido amorfo usando o código aberto código NanospringCarver 16 e associada instrucional documentação 17 (Figura 6). <img alt="Figura 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig6highres.jpg" width="500" /> Figura 6. Ilustração do processo de selecção átomo de passo-a-passo, em diferentes fases da criação de um nanospring utilizando o programa NanospringCarver peças. (A - D) indicam 25%, 50%, 75% e 100% da conclusão desta operação 17.target = &quot;_ blank&quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. </li><li> Usar o pacote LAMMPS MD para realizar simulações de tracção sobre o nanospring / nanofita (Figura 7). Os detalhes sobre este procedimento pode ser encontrada em uma publicação anterior 15. <img alt="Figura 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig7highres.jpg" width="500" /> Figura 7. imagem Snapshot de resultados LAMMPS MD sílica helicoidal nanoestrutura (nanoribbon) de simulação de tração. </li><li> Use o código aberto ferramentas de software VMD (Visualize Dinâmica Molecular) 18 ImageMagick 19, e FFmpeg 20 para criar snapshots e animação da nanoestrutura helicoidal ao longo desta simulação (Animated Figura 1), para apresentação no Sistema de Visualização 3D / VR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig7highres.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para exibir uma v maior</a>ersion desta figura. </li></ol> <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/Animated_Fig1-movie NR-0140_frames.mov" target="_blank">Animated Figura 1</a> . Animação de helicoidal simulação nanoestrutura de tração.

<ol><li>Kreylos website, O. Low-Cost VR 3D/VR tutorial. , University of California Davis. Davis, CA. Available from: 
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<li>Doblack, B. N., Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+emergence+of+immersive+low-cost+3D+virtual+reality+environments+for+interactive+learning+in+materials+science+and+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Res.+Soc.+Symp.+Proc%22%5BJournal%5D)">The emergence of immersive low-cost 3D virtual reality environments for interactive learning in materials science and engineering.</a> Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1320, (2011).</li>
<li>Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhancing+materials+research+through+innovative+3D+environments+and+interactive+manuals+for+data+visualization+and+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Res.+Soc.+Symp.+Proc%22%5BJournal%5D)">Enhancing materials research through innovative 3D environments and interactive manuals for data visualization and analysis.</a> Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1472, (2012).</li>
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 <a target="_blank" href="http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html">http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html</a> (2013).</li>
<li>Kreylos, O. Nanotech Construction Kit. , University of California Davis. Davis, CA. Available from: 
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<li>Dávila, L. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transformations+in+the+medium-range+order+of+fused+silica+under+high+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure.</a> Phys. Rev. Lett. 91 (20), 2055011-2055014 (2003).</li>
<li>Doblack, B. N. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDoblack%2C+BN+%22The+structure+and+properties+of+silica+glass+nanostructures+using+novel+computational+systems%22">The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems</a>. , University of California Merced. Merced, CA. (2013).</li>
<li>NanospringCarver. , University of California Merced. Merced, CA. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products">http://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products</a> (2013).</li>
<li>Meagher, K. A., Doblack, B. N., Ramirez, M., Dávila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scalable+nanohelices+for+predictive+studies+and+enhanced+3D+visualization%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">Scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3D visualization.</a> J. Vis. Exp. In-Press, Forthcoming.</li>
<li>Visualize Molecular Dynamics (VMD). Open source molecular visualization software. , U.S.A. Available from:
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<li>ImageMagick. , U.S.A. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.imagemagick.org">http://www.imagemagick.org</a> (2013).</li>
<li>FFmpeg. Open source multimedia file converter. , U.S.A. Available from: 
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 <a target="_blank" href="http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/imd">http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/imd</a> (2014).</li>
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 <a target="_blank" href="http://aquaria.ws">http://aquaria.ws</a> (2014).</li>
<li>Nano-D Research Group. Algorithms for Modeling and Simulation of Nanosystems. , France. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://nano-d.inrialpes.fr">http://nano-d.inrialpes.fr</a> (2014).</li>
<li><a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((University+of+California+Television+%28UCTV%29%5BTitle%5D)+AND+%22Our+Digital+Life+series%3A+The+Future%3A+Teaching+and+Life-Saving+Tools+episode%22%5BJournal%5D)">University of California Television (UCTV).</a> Our Digital Life series: The Future: Teaching and Life-Saving Tools episode. , University of California. U.S.A. Available from: <a target="_blank" href="http://www.uctv.tv/search-details.aspx?showID=23734">http://www.uctv.tv/search-details.aspx?showID=23734</a> (2013).</li>
</ol>

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Elementos críticos no sucesso da instalação e uso do sistema de visualização 3D / VR estão detalhadas no ambiente físico e Considerações sobre design e considerações especiais em materiais complementares. Considerações sobre a instalação importantes incluem altura display 3D para confortável posição de longo prazo ou uso sentado, maximizada rastreamento câmera montada altura para criar uma grande área de trabalho 3D, câmera de monitoramento estável e apoio display 3D para manter a confi...

A ciência dos materiais é um campo interdisciplinar que examina as relações entre estrutura e propriedades da matéria para a sua aplicação a muitas áreas da ciência e engenharia. Como as relações entre estrutura e propriedades são investigadas através de simulações computacionais, além de experimentação, ferramentas computacionais oferecem recursos complementares que podem aumentar os esforços de investigação. Enquanto os nanomateriais são de interesse para os cientistas e têm valor redentor para o seu potencial de impacto social, este regime tamanho é repleta de muitos desafios encontrados particularmente na experimentação. Simulações de computador permitem que os cientistas e engenheiros para realizar exames especializados em uma grande variedade de ambientes limitados apenas pelo tempo e recursos computacionais. Dinâmica molecular (MD) simulações permitem que o tempo apropriado e comprimento escalas para estudar os fenômenos de interesse em muitos nanomateriais. Simulações expandir o estudo de materiais através da remoção dos constrangimentos de tele laboratório físico, porém muitas ferramentas computacionais falta interfaces acessíveis e intuitivos para a investigação. Enhancement com a exibição gráfica de modelos, algoritmos computacionais eficientes, e unidade de processamento gráfico (GPU) de computação baseada complementar os esforços de simulação atuais. Estes novos dispositivos gráficos combinar com unidades centrais de processamento eficiente para permitir cálculos intensivos matematicamente para ser realizado pela GPU. O resultado é uma aceleração eficaz do cálculo da ordem de 10x acompanhado por uma redução no consumo de energia de até 20x. O objetivo deste projeto de pesquisa foi o de desenvolver e implementar uma nova ferramenta para a investigação nanociência que se conecta diretamente uma interface interativa para simulações de DM, análise de ciência dos materiais e visualização 3D. Este sistema inovador com recursos de análise única e poderosa tem sido utilizado para a pesquisa em nanoescala e educação na UC Merced, com implicações directas a outra rel<html> campos STEM ciados como a nanotecnologia, física, biologia e geologia, e benefício final à educação e à sociedade. O Sistema de Visualização 3D / VR foi implementado tanto como um instrumento de pesquisa e de ensino que permite a criação e manipulação de estruturas atômicas em um ambiente de realidade virtual 3D interativo (VR). O sistema foi criado a partir de um conjunto de custo relativamente baixo e componentes acessíveis, seguindo o modelo originalmente desenvolvido pelo Dr. Oliver Kreylos na UC Davis 1. Abaixo está uma foto do layout 3D final / VR sistema de visualização, com componentes importantes marcados (Figura 1). Este sistema foi criado inicialmente para fins de educação na UC Merced em 2009. A implementação do sistema original em 3D / VR resultou em publicações revisadas por pares 2-3. Tabela 1 abaixo resume as principais características de cada elemento do sistema de visualização 3D / VR. ntent &quot;fo: manter-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1. 3D / VR sistema de visualização e os componentes principais (esquerda) no laboratório de pesquisa Davila na UCM e dispositivos de visualização (à direita). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> Item </td><td> Componente </td><td> Funcionalidade no Sistema </td></tr><tr><td> A </td><td> TV 3D </td><td> Display 3D de estruturas moleculares modelados e menus na tela. </td></tr><tr><td> B </td><td> Infravermelho (IR) câmeras de monitoramento 4 </td><td> Câmeras de infravermelho posições de pista dos óculos de visualização Wiimote e 3D na área de trabalho do usuário na frente da TV 3D, permitindo que virtual 3D manipulação de estruturas indicadas. </td></tr><tr><td> C </td><td> PC Acompanhando </td><td> Executa IR software câmera de monitoramento e transmite Wiimote e 3D posições óculos de proteção para o computador de modelagem. </td></tr><tr><td> D </td><td> Wiimote </td><td> Usado para a gestão no ecrã do software de modelagem e de manipular estruturas em ambiente virtual 3D. </td></tr><tr><td> E </td><td> Óculos 3D 5 </td><td> Sincronizado com sinal 3D TV IR, permitir visualização em 3D da estrutura. Posição rastreado por câmeras de infravermelho para visão 3D precisas. </td></tr><tr><td> F </td><td> Modelagem PC </td><td> Executa NCK / VRUI modelagem 3D e exibição software 6, aceita sinais goggle controle de posição e / Wiimote para criar precisas 3D estrutura molecular. </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Funcionalidade dos principais elementos do sistema de visualização 3D / VR na UCM. Description de 3D / VR Sistema de Visualização e componentes básicos: 3D / VR Visualization Visão Geral do Sistema - O 3D / VR Visualization sistema consiste de um conjunto de câmeras de infravermelho e software de monitoramento que opera em conjunto com o software de modelagem 3D para permitir que um usuário para criar de forma interativa 3D estruturas moleculares. As câmeras e software IR rastrear a localização de um Wiimote e 3D óculos de visão por meio de marcadores IR 3D, e passar isso para o software de modelagem. O software de modelagem usa os sinais de controle Wiimote e movimento para gerar estruturas moleculares em 3D visualizáveis ​​através da combinação de uma televisão de grande formato 3D capaz com óculos 3D sincronizados e monitorados. Isso resulta em uma realidade virtual 3D espaço de trabalho dentro da qual o utilizador pode criar e manipular estruturas moleculares virtuais que reflectem o comportamento físico do mundo real baseada em forças inter-atómicas utilizados no software de modelagem (Figura 2) de forma dinâmica. Considerati especiaisons para a criação deste sistema podem ser encontrados em materiais complementares. <img alt="Figura 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" width="500" /> Figura 2. Investigando nanomateriais sílica, utilizando o Sistema de Visualização 3D / VR. (A) Um pesquisador cria um modelo cristobalite inicial (cristalino) antes de simulações baseadas em GPU. (B) Após a realização de um MD simulado procedimento derreter-têmpera do modelo mostrado em (a), outro pesquisador obtém um modelo de vidro de sílica (não-cristalina). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 3D / VR Sistema de Visualização Enhancement - MD capacidade de simulação: Dinâmica molecular sistemas de simulação são comumente aplicados deforma multi-nodais, isto é, uma grande carga de trabalho é distribuído ou paralelizadas entre dezenas a milhares de processadores. Recentemente, oportunidades adicionais para computação científica acelerado ter surgido da evolução do processamento de computação gráfica. Esses avanços incluem uma interface de software permitindo que os cientistas aproveitar a natureza altamente paralelo do poder de processamento intrínseco a chips gráficos. Com o advento do Compute Unified Device Architecture ou CUDA 7, os cientistas podem usar GPUs 8 para aumentar a velocidade em que os problemas são resolvidos, enquanto reduz o custo da infra-estrutura. A GPU típico pode ter o equivalente a centenas de milhares de núcleos ou &quot;nós&quot; para o processamento de informações, e como estas podem ser usadas em paralelo, uma solução bem-codificado pode fornecer até 1.000 vezes aceleração rendimento contra o seu homólogo multi-core . Embora nem todos os problemas é bem adequada para essa abordagem, simulações de DM atuais têm visto até 15x desempenho de transferência ganha 9. Detalhes sobre o sistema de visualização reforço MD-GPU 3D / VR pode ser encontrada em materiais suplementares.

<table><tbody><tr><td>TV DLP de alta definição com capacidade 3D de 61" Samsung</td><td>Samsung</td><td><a href="http://www.samsung.com/us/video/tvs">http://www.samsung.com/us/video/tvs</a></td><td>Consulte a Seção 3 do Protocolo (Etapa 3.2)&nbsp; (TV de grande formato compatível com 3D)</td></tr><tr><td>Computador de modelagem Alienware Area51 750i</td><td>Alienware</td><td><a href="http://www.alienware.com/">http://www.alienware.com</a></td><td>Consulte a Seção 1 do Protocolo (Etapa 1.1)&nbsp; (Computador de modelagem)</td></tr><tr><td>Computador de rastreamento HP EliteBook 8530w</td><td>HP</td><<td>a href="http://www.hp.com/">http://www.hp.com</a></td><td>Consulte a Seção 2 do Protocolo (Etapa 2.3)&nbsp; (Computador de rastreamento)</td></tr><tr><td>V100:R2 Câmeras de rastreamento IR (3)</td><td>Naturalpoint</td><td><a href="http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/">http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/</a></td><td>Consulte a Seção 2 do Protocolo (Etapa 2.1) e a Referência [4]&nbsp; (Câmeras de rastreamento)</td></tr><tr><td>OptiTrack Tracking Tools Software de rastreamento IR</td><td>Naturalpoint</td><td><a href="http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/">http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/</a></td><td>Consulte a Seção 2 do Protocolo (Etapa 2.3) e a Referência [4]&nbsp; (Software de rastreamento)</td></tr><tr><td>Óculos 3D e emissor de sincronização IR para TV 3D</td><td>Ilixco</td><td><a href="http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html">http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html</a></td><td>Consulte a Seção 3 do Protocolo (Etapa 3.2) e a Referência [5]&nbsp; (óculos 3D)</td></tr><tr><td>Controlador Wiimote 3D</td><td>Nintendo</td><td><a href="http://www.nintendo.com/wii">http://www.nintendo.com/wii</a></td><td>Consulte a Seção 3 do Protocolo (Etapa 3.2)&nbsp; (Wiimote)</td></tr><tr><td>VRUI, NCK e software de modelagem 3D/VR associado</td><td>Software de código aberto</td><td><a href="http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html">http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html</a></td><td>Consulte a Seção 1 do Protocolo (Etapa 1.3) e Referências [1,6]&nbsp; (VRUI, NCK)</td></tr><tr><td>Software de dinâmica molecular LAMMPS</td><td>Software de código aberto</td><td><a href="http://lammps.sandia.gov/">http://lammps.sandia.gov/&nbsp; </a></td><td>Consulte a Seção 5 do Protocolo (Etapa 5.2) e a Referência [12]&nbsp; (LAMMPS)</td></tr><tr><td>Código e arquivos do programa NanospringCarver</td><td>UC Merced - código aberto</td><td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>Consulte a Seção 5 do Protocolo (Etapa 5.4) e Referências [16-17]&nbsp; (NanospringCarver)</td></tr><tr><td>Arquivos MATLAB GUI</td><td>UC Merced - código aberto</td><td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>Consulte a Seção 5 do Protocolo (Etapa 5.4) e Referências [16-17]&nbsp; (NanospringCarver)</td></tr><tr><td>Arquivo de entrada de vidro atomístico</td><td>em massa UC Merced - código aberto</td><td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>Consulte a Seção 5 do Protocolo (Etapa 5.4) e Referências [16-17]&nbsp; (NanospringCarver)</td></tr></tbody></table>

novel 3d / vr ambiente interativo para md simulações, visualização e análise

Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis

O crescente desenvolvimento da computação (hardware e software), nas últimas décadas tem impactado a investigação científica em diversas áreas, incluindo a ciência dos materiais, biologia, química e física entre muitos outros. Um novo sistema computacional para a simulação precisa e rápida e visualização 3D / VR de nanoestruturas é apresentado aqui, usando o código-fonte aberto programa de computador dinâmica molecular (MD) LAMMPS. Este método computacional alternativa usa processadores gráficos modernos, tecnologia NVIDIA CUDA e códigos científicos especializados para superar as barreiras de velocidade de processamento comuns aos métodos tradicionais de computação. Em conjunto com um sistema de realidade virtual utilizado para modelar materiais, este acessório permite a adição de capacidade de simulação acelerado MD. A motivação é o de proporcionar um ambiente de pesquisa romance que, simultaneamente, permite a visualização, simulação, modelagem e análise. O objetivo é investigar a estrutura e propriedades de inorgânico nanostructures (por exemplo, nanomolas de vidro de sílica), sob diferentes condições de uso deste sistema computacional inovador. O trabalho apresentado esboça uma descrição do sistema de visualização 3D / VR e componentes básicos, uma visão geral de considerações importantes, tais como o ambiente físico, detalhes sobre a configuração e utilização do novo sistema, um procedimento geral para o reforço MD acelerado, informações técnicas e observações pertinentes. O impacto deste trabalho é a criação de um sistema computacional única que combina materiais em nanoescala simulação, visualização e interatividade em um ambiente virtual, que é tanto um instrumento de pesquisa e ensino na UC Merced.

VR Sistema de Visualização Este 3D / apresenta novas oportunidades para a realização de estudos sobre a ciência de materiais. Como este ambiente imersivo opera em tempo real, sob a forma de entrada 3D e visualização, o pesquisador é apresentado com um instrumento nanométricos totalmente interativo 2. Seguindo o protocolo aqui apresentado, um nanofita sílica helicoidal foi criada desta forma passo-a-passo. Um instantâneo de esta estrutura produzida a partir de LAMMPS MD é mostrado na Figura 7....

Um novo sistema computacional com simulação de dinâmica molecular acelerada por GPU e visualização, análise e manipulação 3D/VR de nanoestruturas foi implementado, representando uma nova abordagem para avançar na pesquisa de materiais e promover investigações inovadoras e métodos alternativos para aprender sobre estruturas de materiais com dimensões invisíveis ao olho humano.

Novel 3D / VR ambiente interativo para MD Simulações, visualização e análise

The increasing development of computing (hardware and software) in the last decades has impacted scientific research in many fields including materials ...

O objetivo geral deste procedimento é visualizar e analisar o comportamento de nanoestruturas tridimensionais do mundo real. Isso é realizado primeiramente criando um sistema interativo de visualização 3D com capacidade de simulação. O segundo passo consiste em construir e investigar nanoestruturas 3D no ambiente interativo.Em seguida, uma estrutura helicoidal nano 3D é preparada a partir de um material bruto escolhido e o sistema é utilizado para realizar simulações de tração ou outras. O passo final consiste em visualizar e analisar o comportamento atôm游戏副本ico tridimensional resultante no mundo real da nanoestrutura. Em última instância, o sistema de visualização 3D neste trabalho pode ser usado para investigar nanoestruturas realistas por meio de dinâmica molecular ou simulações de DM, voltadas à pesquisa de inovação de materiais.Tive a ideia sobre este método ainda na UC Davis, quando estava colaborando com o Dr. Oliver K. Craigo sobre o uso dessa tecnologia para pesquisa e ensino, especificamente na área de ciência dos materiais. A visualização e interação tridimensionais são ferramentas importantes para a exploração e análise computacional de materiais. Assim, esperamos que este esforço ajude outros a expandir. Em seguida, demonstrando este procedimento, estará Miguel Diaz, um estudante de pós-graduação do meu laboratório.Para começar, crie uma estrutura rígida de suspensão para a câmera diretamente acima da borda frontal da televisão com capacidade 3D, próxima ao teto, para obter a melhor cobertura. Monte três câmeras infravermelhas ou IR em suportes giratórios diretamente acima dos cantos frontais e do centro frontal da TV 3D.Certifique-se de que o ângulo de cobertura de cada câmera toque levemente a superfície frontal da TV. Em seguida, monte e configure os equipamentos e o software do sistema de visualização em realidade virtual 3D ou RV 3D conforme descrito no protocolo textual, colocando cuidadosamente o controle em um local de fácil alcance a partir do computador de modelagem, tomando cuidado para não tocar nem mover os marcadores esféricos de rastreamento de infravermelho fixados a ele. Coloque também com cuidado os óculos 3D no suporte da TV, evitando os marcadores reflexivos após a configuração adicional.Conforme detalhado no protocolo textual, abra uma janela de terminal com várias abas na área de trabalho do computador de modelagem localizado no computador de rastreamento. Verifique o endereço IP do adaptador Ethernet digitando IP config em uma janela de comando no computador de modelagem. Abra uma aba da janela de terminal e verifique dentro do arquivo VR devices dot cfg se o nome do servidor especifica o endereço IP do adaptador Ethernet do computador de rastreamento no computador de rastreamento.Permita que o software da ferramenta de corpo rígido do opti track seja aberto completamente. Em seguida, clique no botão grande próximo ao menu superior rotulado como carregar resultado da calibração. Navegue até o arquivo de calibração da câmera apropriado e abra-o.Após o arquivo ser carregado, clique no menu de arquivos e selecione carregar definições de corpo rígido. Navegue até o arquivo de definição de corpo rígido apropriado para o controlador rastreado e os óculos 3D e abra-o no painel mais à direita do software de rastreamento. Localize a seção marcada como transmissão e expanda a seção na categoria de transmissão VRPN.Verifique se o número da porta listado é 3 8 8 3 e marque a caixa de dados do quadro de transmissão na categoria do motor de transmissão VRPN no computador de modelagem. Abra uma aba na janela do terminal criada anteriormente nesta sessão. Navegue até o local e inicie o software de demonstração do dispositivo VR.Em seguida, siga a instrução para pressionar simultaneamente os botões um e dois no WiMo. Se a atividade for bem-sucedida, a janela exibirá agora o servidor do dispositivo de RV aguardando a conexão do cliente dentro da janela do terminal do computador de modelagem previamente criada. Selecione a terceira aba para iniciar o software NCK.Navegue até o diretório de instalação do NCK e digite o comando mostrado aqui e também listado no protocolo textual, tomando muito cuidado para não tocar ou soltar os marcadores de rastreamento acoplados. Coloque os óculos 3D e pegue o controle. Ajuste a posição de visualização dos óculos para garantir que os óculos 3D estejam recebendo o sinal de sincronização do emissor de infravermelho da TV 3D, permitindo a visualização em realidade virtual 3D na tela da TV, a fim de ter um conjunto de ferramentas para adicionar, mover e excluir átomos.Atribua associações de comandos NCK aos botões do controlador pressionando e mantendo pressionado o botão home do wiimote, o que exibe o menu principal do NCK na tela. Navegue até o item do menu de ferramentas de substituição e selecione-o, depois solte o botão home. Isso permite atribuir comandos a diferentes botões do controlador de forma independente entre si.Para associar o botão de disparo do WiMo à ação de manipular átomos dentro do NCK, pressione e mantenha pressionado o botão de disparo. Navegue pelo menu NCK na tela até "dragger" e selecione o dragger de seis graus de liberdade antes de soltar o botão de disparo. O botão de disparo agora está associado à ação de manipular os átomos.Para atribuir a função de adicionar um átomo ao botão mais no wiimote, abra o menu principal pressionando e mantendo pressionado o botão home. Navegue até os tipos de unidades estruturais e selecione triângulo antes de soltar o botão home. Em seguida, pressione e mantenha pressionado o botão mais e selecione o dispositivo de arraste de seis graus de liberdade como antes.Em seguida, solte o botão mais. O botão mais agora está associado à criação de novos átomos do tipo selecionado, neste caso, átomos de carbono representados por triângulos. Para atribuir a função de excluir um átomo ao botão menos no wiimote, abra o menu principal pressionando e mantendo pressionado o botão home.Em seguida, navegue até os tipos de unidade estrutural e selecione excluir unidades selecionadas. Antes de soltar o botão inicial, pressione e mantenha pressionado o botão de subtração e selecione o arrastador de seis graus de liberdade como antes. Então, solte o botão de subtração.O botão de menos agora está associado à exclusão de átomos. Siga um procedimento semelhante para atribuir as funções de travar unidades selecionadas ao único botão WiMo e de destravar unidades selecionadas ao botão duplo do controlador. Uma vez que os botões do controlador tenham sido configurados, crie um nanotubo de carbono usando o NCK, utilizando primeiro o botão de adição para adicionar dois átomos de carbono triangulares com três ligações à área de trabalho do NCK.Manipule esses átomos utilizando o botão de acionamento até que se unam em um vértice. Em seguida, adicione mais quatro átomos de carbono para criar uma forma de estrela hexagonal. Usando o menu inicial, navegue até os menus de entrada e saída e depois até as unidades de salvamento; mova a estrutura de seis pontas para longe de sua posição atual.Agora, use o menu inicial para navegar novamente até os menus de entrada e saída e, em seguida, carregue as unidades. Repita os dois últimos passos até que uma folha hexagonal de seis por seis com anéis de seis átomos tenha sido criada.Usando o botão de travamento, um átomo na fileira superior e um átomo oposto na fileira inferior serão travados e marcados com uma cor rosa. Usando o botão disparador, mova cuidadosamente um dos átomos travados em um arco circular até que fique livre. O vértice se aproxima do vértice livre do átomo oposto travado.Uma vez unidos com sucesso, destrave ambos os átomos usando o botão dois. Continue de forma semelhante travando, unindo e destravando vértices opostos na folha de carbono. Efetivamente, fechando a folha em um nanotubo de carbono final.Importe um modelo inicial cúbico cristalino de dióxido de silício para o software 3D VR NCK e investigue a estrutura inicial. Execute um procedimento simulado de fusão e resfriamento rápido nesta estrutura ordenada inicial para produzir uma estrutura amorfa de dióxido de silício. Em seguida, importe o novo modelo resultante de dióxido de silício desordenado para o software 3D VR NCK e investigue a estrutura.Crie um dióxido de silício, uma mola nano ou uma fita nano a partir do novo sólido amorfo. Utilize o código aberto, o recortador de molas nano e a documentação instrucional associada. Use o pacote de dinâmica molecular lamps para realizar simulações de tração na mola nano ou na fita nano conforme relatado em outras fontes.Por fim, utilize ferramentas de software livre, como o Visualize Molecular Dynamics, o Image Magic e o FFmpeg, para criar imagens fixas e animações da nanoestrutura helicoidal ao longo desta simulação ou apresentação no sistema de visualização 3D em realidade virtual. Este protocolo descrito aqui demonstra como criar um sistema laboratorial integrado para simulações atômicas de alto desempenho e visualização interativa em 3D de nanoestruturas. Usando o sistema de visualização 3D em realidade virtual, é possível construir e investigar nanoestruturas complexas, como um nanotubo de carbono com comportamento atômico realista.A fita nano helicoidal de sílica foi então criada e submetida a cargas de tração simuladas, e os resultados da simulação foram visualizados em três dimensões para investigar a transformação estrutural e a falha da nanoestrutura sob tais condições de tração. Após assistir a este vídeo, você deverá ser capaz de analisar e visualizar o comportamento de qualquer modelo de nanoestrutura usando um sistema de visualização 3D como o que temos no laboratório.

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Engineering

Engenharia

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