Роман 3D / VR Интерактивная среда для МД, визуализации и анализа

Общая цель данной процедуры — визуализировать и проанализировать поведение реальных трехмерных наноструктур. Это достигается путем первоначального создания системы интерактивной 3D-визуализации с возможностью моделирования. Вторым этапом является конструирование и исследование трехмерных наноструктур в этой интерактивной среде.

Затем из выбранного объемного материала подготавливается трехмерная наноспиральная структура, и система используется для проведения расчетов на растяжение или других видов моделирования. Заключительным этапом является визуализация и анализ полученного реального трехмерного атомистического поведения наноструктуры. В конечном итоге, разработанная в данной работе система 3D-визуализации может быть использована для исследования реалистичных наноструктур с помощью молекулярной динамики или MD-моделирования в рамках исследований по инновационным материалам.

Идея этого метода возникла у меня еще в Калифорнийском университете в Дейвисе, когда я сотрудничал с доктором Оливером К. Крейго (Dr. Oliver K. Craigo) над использованием данной технологии для исследований и обучения, в частности, в области материаловедения. Трехмерная визуализация и интерактивность являются важными инструментами для компьютерного изучения и анализа материалов. Поэтому мы надеемся, что эта работа поможет другим расширить свои возможности. Далее эту процедуру продемонстрирует Мигель Диас, аспирант моей лаборатории.

Для начала создайте жесткую раму для крепления камер непосредственно над передним краем 3D-телевизора рядом с потолком для обеспечения наилучшего охвата. Установите три инфракрасные (ИК) камеры на поворотных креплениях прямо над передними углами и передней центральной частью 3D-телевизора.

Убедитесь, что угол обзора каждой камеры едва затрагивает переднюю поверхность телевизора. Затем соберите и настройте оборудование и программное обеспечение для системы 3D-виртуальной реальности или 3D VR-визуализации, как описано в текстовом протоколе; аккуратно разместите контроллер в месте, где до него будет легко дотянуться с компьютера для моделирования, стараясь не касаться и не смещать прикрепленных к нему сферических ИК-маркеров отслеживания. Также аккуратно положите 3D-очки на подставку телевизора, чтобы избежать попадания отражающих маркеров в поле зрения после завершения настройки.

Как подробно описано в текстовом протоколе, откройте окно терминала с несколькими вкладками на рабочем столе моделирующего компьютера, подключенного к компьютеру трекинга. Проверьте IP-адрес сетевого адаптера, введя команду IP config в командном окне на моделирующем компьютере. Откройте вкладку окна терминала и убедитесь в файле VR devices dot cfg, что имя сервера соответствует IP-адресу сетевого адаптера компьютера трекинга на самом компьютере трекинга.

Дождитесь полного запуска программного обеспечения для работы с жесткими телами OptiTrack. Затем нажмите большую кнопку «Load calibration result» (Загрузить результат калибровки) в верхнем меню. Найдите и откройте соответствующий файл калибровки камеры.

После загрузки файла откройте меню файлов и выберите «load rigid body definitions» (загрузить определения жестких тел). В крайней правой панели программного обеспечения для трекинга найдите и откройте соответствующий файл определений жестких тел для отслеживаемого контроллера и 3D-очков. Найдите раздел «streaming» (потоковая передача) и разверните его в категории «VRPN streaming».

Убедитесь, что указан номер порта 3 8 8 3, и проверьте поле данных кадра широковещательной рассылки в категории VRPN streaming engine на компьютере для моделирования. Откройте вкладку в окне терминала, созданном ранее в этом сеансе. Перейдите к программному обеспечению демона VR-устройства и запустите его.

Затем следуйте подсказке и одновременно нажмите кнопки один и два на WiMo. Если действие было выполнено успешно, в ранее созданном окне терминала моделирующего компьютера появится сообщение «VR device server waiting for client connection». Выберите третью вкладку, чтобы запустить программное обеспечение NCK.

Перейдите в каталог установки NCK и введите команду, показанную здесь и указанную в текстовом протоколе, стараясь не задеть и не ослабить закрепленные маркеры отслеживания. Наденьте 3D-очки и возьмите контроллер. Отрегулируйте положение головы в очках, чтобы убедиться, что 3D-очки получают синхронный сигнал от ИК-излучателя 3D-телевизора, что позволит просматривать изображение телевизора в режиме 3D VR для использования набора инструментов по добавлению, перемещению и удалению атомов.

Назначьте ассоциации команд NCK кнопкам контроллера, сначала нажав и удерживая кнопку home на wiimote, чтобы вызвать главное экранное меню NCK. Перейдите к пункту меню override tools и выберите его, после чего отпустите кнопку home. Это позволит назначать команды разным кнопкам контроллера независимо друг от друга.

Чтобы связать кнопку пуска WiMo с действием по манипулированию атомами в NCK, нажмите и удерживайте кнопку пуска. В экранном меню NCK перейдите к разделу dragger и выберите six degree of freedom dragger, после чего отпустите кнопку. Теперь кнопка пуска связана с действием по манипулированию атомами.

Чтобы назначить функцию добавления атома на кнопку «плюс» контроллера wiimote, вызовите главное меню, нажав и удерживая кнопку home. Перейдите в раздел «structural unit types» и выберите «triangle», после чего отпустите кнопку home. Затем нажмите и удерживайте кнопку «плюс» и, как и прежде, выберите «six DOF dragger».

Затем отпустите кнопку «плюс». Теперь кнопка «плюс» связана с созданием новых атомов выбранного в данном случае типа — атомов углерода, представленных треугольниками. Чтобы назначить функцию удаления атома кнопке «минус» на Wiimote, вызовите главное меню, нажав и удерживая кнопку Home.

Затем перейдите к типам структурных единиц (structural unit types) и выберите «удалить выбранные единицы» (delete selected units). Не отпуская кнопку «домой» (home), нажмите и удерживайте кнопку «минус», а затем, как и ранее, выберите шестистепенной переместитель (six DOF dragger). После этого отпустите кнопку «минус».

Теперь кнопка «минус» связана с удалением атомов. Следуйте аналогичной процедуре, чтобы назначить функции блокировки выбранных единиц кнопке управления «один» и разблокировки выбранных единиц кнопке управления «два». После настройки кнопок контроллера создайте углеродную нанотрубку с помощью NCK, сначала используя кнопку «плюс», чтобы добавить в рабочую область NCK два треугольных атома углерода с тремя связями.

Манипулируйте ими с помощью кнопки запуска, пока они не соединятся в одной вершине. Затем добавьте еще четыре атома углерода, чтобы создать форму шестиконечной звезды. С помощью главного меню перейдите в меню ввода-вывода, затем в раздел сохранения объектов и переместите шестиконечную структуру из ее текущего положения.

Теперь с помощью главного меню снова перейдите в меню ввода-вывода (input output menus), а затем выберите загрузку единиц (load units). Повторяйте эти два последних шага до тех пор, пока не будет создан слой из шестирядною сетки гексагональных шестиатомных колец.

С помощью кнопки блокировки зафиксируйте один атом в верхнем ряду и противоположный атом в нижнем ряду; заблокированные атомы будут отмечены розовым цветом. Нажимая кнопку срабатывания, осторожно перемещайте один из заблокированных атомов по круговой дуге до тех пор, пока он не освободится. Вершина приближается к свободной вершине противоположного заблокированного атома.

После успешного соединения разблокируйте оба атома с помощью двух кнопок. Продолжайте аналогичным образом блокировать, соединять и разблокировать противоположные вершины в углеродном листе. Таким образом, лист «застегивается», превращаясь в окончательную углеродную нанотрубку.

Импортируйте исходную модель кубического кристалла диоксида кремния в программное обеспечение 3D VR NCK и изучите исходную структуру. Выполните процедуру моделирования закалки расплава этой исходной упорядоченной структуры для получения структуры аморфного диоксида кремния. Затем импортируйте полученную новую неупорядоченную модель диоксида кремния в программное обеспечение 3D VR NCK и изучите структуру.

Создайте нанопружину или наноленту из диоксида кремния из полученного аморфного твердого тела. Используйте открытый исходный код Nano Springing Carver и соответствующую сопроводительную документацию. Используйте пакет молекулярной динамики LAMMPS для проведения симуляций растяжения нанопружины или наноленты, как описано в других работах.

Наконец, используйте инструменты программного обеспечения с открытым исходным кодом — visualize molecular dynamics, image magic и FF m peg — для создания снимков и анимации спиральной наноструктуры на протяжении этого моделирования или презентации в системе 3D VR-визуализации. Описанный здесь протокол демонстрирует, как создать интегрированную лабораторную систему для высокопроизводительного атомистического моделирования и интерактивной 3D-визуализации наноструктур. С помощью системы 3D VR-визуализации можно конструировать и исследовать сложные наноструктуры, такие как углеродные нанотрубки, с учетом реального поведения атомов.

Затем была создана нанолента из диоксида кремния спиральной формы, которая была подвергнута моделируемым растягивающим нагрузкам; результаты моделирования были визуализированы в трех измерениях для исследования структурной трансформации и разрушения наноструктуры в таких условиях растяжения. После просмотра этого видео вы сможете анализировать и визуализировать поведение любой модели наноструктуры с помощью системы 3D-визуализации, подобной той, что используется в нашей лаборатории.