소설 3D / MD 시뮬레이션, 시각화 및 분석을위한 VR 대화 형 환경

1Materials Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Doblack, B. N., Allis, T., Dávila, L. P. Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis. J. Vis. Exp. (94), e51384, doi:10.3791/51384 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

지난 수십 년 동안 컴퓨팅 (하드웨어 및 소프트웨어)의 증가 개발은 많은 다른 사람의 사이에서 재료 과학, 생물학, 화학, 물리학 등 많은 분야에서 과학적 연구를 영향을하고있다. 정확하고 빠른 시뮬레이션과 나노 구조의 3D / VR 시각화를위한 새로운 전산 시스템은 분자 역학 (MD) 컴퓨터 프로그램 LAMMPS 오픈 소스를 사용하여, 여기에 표시됩니다. 이 대안 계산 방법은 기존의 컴퓨팅 방법에 공통 처리 속도 장벽을 극복하기 위해 현대적인 그래픽 프로세서, NVIDIA CUDA 기술과 전문 과학 코드를 사용합니다. 재료를 모델링하는 데 사용되는 가상 현실 시스템과 연계이 향상된 가속 MD 시뮬레이션 기능의 추가를 허용한다. 동기 동시에 시각화, 시뮬레이션, 모델링 및 분석을 허용하는 신규 연구 환경을 제공하는 것이다. 연구 목표는 무기 N의 구조와 특성을 조사하는 것입니다anostructures (예를 들면, 석영 유리 나노 스프링)이 혁신적인 전산 시스템을 이용하여 다양한 조건 하에서. 제시된 작업은 물리적 환경으로 3D / VR 시각화 시스템 및 기본 구성 요소, 중요한 고려 사항의 개요에 대한 설명을 간략하게 설명, 새로운 시스템의 설치 및 사용에 대한 자세한 가속 MD 향상을위한 일반적인 절차, 기술 정보 및 관련 발언. 이 작품의 영향은 UC 머 시드에서 연구 및 교육 장비 둘 다 가상 환경에서 나노 물질 시뮬레이션, 시각화 및 상호 작용을 결합한 독특한 전산 시스템의 창조이다.

Introduction

재료 과학은 과학 및 공학의 여러 분야에 자신의 응용 프로그램에 대한 문제에 구조 속성 관계를 검사 학제 적 분야입니다. 구조 속성 관계가 실험뿐만 아니라 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 조사에 따라, 계산 도구는 연구 노력을 향상시킬 수있는 보완적인 기능을 제공합니다. 나노 과학자들이 관심을 자신의 잠재적 인 사회적 영향에 대한 구속의 값을 가지고 있지만,이 크기 정권은 특히 실험에서 발견되는 많은 도전을 내포한다.

컴퓨터 시뮬레이션은 과학자와 엔지니어는 시간과 컴퓨팅 자원에 의해 제한 환경의 큰 다양한 전문 테스트를 수행 할 수 있습니다. 분자 역학 (MD) 시뮬레이션은 적절한 시간을 허용하고 길이는 많은 나노 물질에 대한 관심의 현상을 연구하기 위해 확장됩니다. 시뮬레이션은 t의 제약을 제거하여 재료의 연구를 확장그는 그러나 많은 계산 도구는 연구에 대한 접근, 직관적 인 인터페이스를 물리 실험실이 부족하다. 모델의 그래픽 디스플레이, 계산 효율적인 알고리즘 및 그래픽 프로세싱 유닛 (GPU) 기반 컴퓨팅 향상 시뮬레이션은 현재의 노력을 보완. 이러한 새로운 디바이스는 그래픽 집약적 인 수학적 계산 GPU에 의해 수행 될 수 있도록 효율적으로 중앙 처리 장치와 결합한다. 결과는 최대 20 배의 전력 소비의 감소를 동반 10 배 정도의 계산의 유효 가속도이다.

이 연구 프로젝트의 목표는 개발하고 직접 MD 시뮬레이션, 재료 과학 분석 및 3D 시각화에 대한 대화 형 인터페이스를 연결하는 나노 과학 조사를위한 새로운 도구를 구현하는 것이 었습니다. 독특하고 강력한 분석 기능이 혁신적인 시스템은 다른 REL에 직접 영향과 함께, UC 머 시드에서 나노 연구와 교육에 사용 된 이러한 교육과 사회에 나노 기술, 물리학, 생물학, 지질학, 그리고 궁극적 인 혜택으로 ated STEM 분야.

3D / VR 시각화 시스템 모두로 생성 및 대화 형 3D 가상 현실 (VR) 환경에서 원자 구조의 조작을 할 수있는 연구 및 교육 장비를 구현되었습니다. 이 시스템은 원래 UC 데이비스 1 박사 올리버 Kreylos에 의해 개발 된 모델을 다음과 같은 상대적으로 저렴한 비용으로 접근 컴포넌트의 집합에서 만들어졌습니다.

아래 표시된 중요한 구성 요소 (그림 1)과 최종 3D / VR 시각화 시스템 레이아웃의 사진입니다. 이 시스템은 원래 원래 3D / VR 시스템의 구현이 피어 리뷰 출판물 결과 2009 년 UC 머 시드에서 교육을 목적으로 설립되었다 2-3. 아래의 표 1은 3D / VR 시각화 시스템의 각 요소에 대한 주요 특징을 요약 한 것입니다.

ntent "FO : 유지-together.within 페이지 ="항상 "> 그림 1
그림 1. 3D / VR 시각화 시스템 및 UCM 및 시각화 장치 (오른쪽)의 빌라 연구소의 주요 구성 요소 (왼쪽). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

상품 구성 요소 시스템의 기능
3D TV 모델 분자 구조의 3D 디스플레이 및 온 스크린 메뉴.
B 적외선 (IR) 추적 카메라 (4) IR 카메라 3D TV 앞의 사용자 작업 공간에서의 Wiimote 및 3D 시청 고글의 트랙 위치, 수 비르표시 구조의 tual 3D 조작.
C 추적 PC IR 카메라 추적 소프트웨어를 실행하고 모델링 컴퓨터에 Wiimote의 및 3D 고글 위치를 전송한다.
Wiimote의 모델링 소프트웨어의 화면 관리에 사용되는 및 3D 가상 환경에서 구조를 조작 할 수 있습니다.
E 3D 고글 (5) 3D TV IR 신호 동기화, 구조의 3D보기를 할 수 있습니다. 정확한 3D 뷰 IR 카메라로 추적 위치.
F 모델링 PC , NCK / VRUI 3D 모델링 및 디스플레이 소프트웨어 (6)을 실행 정확한 3D 분자 구조 뷰를 작성하는 고글 / Wiimote의 위치와 제어 신호를 받아들입니다.

UCM에서 3D / VR 시각화 시스템의 주요 요소 표 1. 기능.

Descriptio3D / VR 시각화 시스템 및 기본 구성 요소의 N :

3D / VR 시각화 시스템 개요 - 차원 / VR 시각화 시스템 IR 카메라 및 사용자에게 대화 형 3 차원 분자 구조를 생성 할 수 있도록 3 차원 모델링 소프트웨어와 함께 동작하는 소프트웨어의 추적의 집합으로 이루어져있다. IR 카메라와 소프트웨어는 IR 마커를 사용하여 Wiimote의 및 3D 시청 고글의 3D 위치를 추적하고, 모델링 소프트웨어에이를 전달합니다. 모델링 소프트웨어를 추적 및 동기화 3D 고글 3D 호환 대형 텔레비전의 조합을 이용하여 볼 수있는 3 차원 분자 구조를 생성하는 Wiimote의 제어 신호와 움직임을 이용한다. 이것은 사용자가 동적으로 생성하고 모델링 소프트웨어에 사용되는 원 자간 력에 기초하여 (도 2) 실제 ​​물리적 동작을 반영하는 가상 분자 구조를 조작 할 수있는 내 차원 가상 현실 작업 공간을 초래한다. 특별 considerati에이 시스템을 설정하기위한 기능이 보충 자료에서 발견 될 수있다.

그림 2
그림 3D / VR 시각화 시스템을 사용하여 실리카 나노 물질을 조사합니다. () 연구원은 GPU 기반의 시뮬레이션 전에 초기 크리스토발라이트 모델 (결정)을 작성합니다. (B) (A), 또 다른 연구원은 실리카 유리 모델 (비 결정을) 취득에 표시된 모델을 시뮬레이션 MD 용융 급냉 절차를 수행하면. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3D / VR 시각화 시스템 강화 - MD 시뮬레이션 기능 :

시뮬레이션 시스템은 일반적으로 구현되는 분자 동역학다중 노드 패션은, 즉, 많은 워크로드 프로세서 수천 수만 분산 또는 병렬된다. 최근 가속화 과학 컴퓨팅에 대한 추가 기회가 컴퓨터 그래픽 처리의 발전에서 제기했다. 이러한 진보 과학자 그래픽 칩에 고유의 처리 능력이 높은 병렬 특성을 활용할 수 있도록 소프트웨어 인터페이스를 포함한다. 통합 컴퓨팅 디바이스 아키텍처 또는 CUDA 7의 출현으로, 과학자들은 인프라 비용을 줄이면서 문제가 해결되는 속도를 향상시키기 위해 GPU가 8을 사용할 수있다. 전형적인 GPU는 정보 처리 수천 개의 코어 또는 "노드"로 수백 당량을 가질 수 있으며, 이들 각각이 병행하여 사용될 수있는 바와 같이, 잘 - 코딩 된 용액은 멀티 코어 대응 대 처리량 가속을 1000 배까지 제공 할 수있다 . 모든 문제는 이러한 접근 방식에 잘 적합하지 않지만, 현재의 MD 시뮬레이션은 15도 하였다X 처리량 성능은 9 얻는다. 3D / VR 시각화 시스템 MD-GPU 향상에 대한 자세한 내용은 보충 자료에서 찾을 수 있습니다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 모델링 PC에 3D / VR 모델링 소프트웨어 설치

  1. (우분투 86 / AMD64는 하드웨어에 따라) 모델링 PC에 리눅스 기반의 운영 체제를 설치합니다.
  2. 베이스 LINUX 운영 체제를 수정한다.
    1. 라이브러리를 설치하고 필요에 따라 기능을 추가 할 수 있습니다.
  3. VRUI 및 NCK 3D / 모델링 PC 6 VR 모델링 소프트웨어를 설치합니다.
    1. 모든 모델링 소프트웨어 컴포넌트들의 최신 버전을 얻기 위해 관련 웹 사이트를 확인 1,6-.
    2. , 컴파일 구성하고 VRUI을 테스트합니다.
    3. 설치 및 NCK을 테스트합니다.

2. 추적 시스템 (1)을 설정

  1. 마운트 IR 추적 카메라 (4)
    1. 최고의 커버리지 천장 근처의 3D TV의 전면 모서리 바로 위에 견고한 카메라 서스펜션 프레임을 만듭니다. 직접 전면 모서리와 3D TV의 전면 중앙 위에서 회전 마운트에 장착 3 카메라. 확인 각 카메라의 커버리지 각도 단지 gTV의 표면을 razes.
    2. 3D TV의 앞쪽에 넓은 범위의 각도 (45도)을 가지고 평행 카메라를 목표로한다. 3 차원 TV의 전면에 수직 좁은 범위의 각도 (30도)를 사용합니다. 원하는 3D 작업 공간 내에서 최대 중첩을 허용하라. 확인이 성공적으로 물체 추적 할 적어도 두 개의 카메라 (도 3)의 관점에서이다.
      그림 3
      그림 3. IR 추적 카메라 적용 범위가 TV 앞에 3D 작업 공간을 극대화 할 수 있습니다. 부품 (A)와 (B)를 3D / VR 시각화 시스템의 대한 전면 및 측면 모습을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
  2. 적절한를 만드는 데 필요한 경우 대체 카메라 배치와 실험3D 작업 공간. 수직 카메라 장착 거리가 제한된 경우이 필요할 수 있습니다.
  3. 설치 및 보정 추적 소프트웨어
    1. 포함 된 설치 매뉴얼을 사용하여 추적 컴퓨터에서 OptiTrack 강체 툴킷을 설치합니다.
    2. 설정 임계 값, 노출, 조명 환경에 따라 값 및 추적 소프트웨어 설명서에 설명 된대로, 최고에 캡처 품질을 설정합니다.
    3. 지팡이 캡처, 3D 작업 공간에서 다른 모든 반사 물질을 제거 할주의하십시오. 반사 지팡이 카메라 중첩 작업 영역 전체에 부드럽게 이동합니다. 표준 때까지 반복 "0.5"이하의 에러를 의미하고 교정 파일을 저장 얻을 수있다.
    4. 3D 추적 작업 영역은 시스템 좌표 원점 설정하는 접지면을 설정한다. 추적 소프트웨어 설명서에 설명 된대로 정의의 Wiimote와 3D 고글은 객체를 추적.
  4. 전체 VRUI 교정
    1. TRACKIN을 받아 VRUI 설정추적 컴퓨터에서 g 정보를 제공합니다.
    2. DeviceTest 보정 유틸리티를 사용하여 VRUI에 추적 기능을 확인하십시오.
    3. 좌표계 VRUI 3D 디스플레이 및 추적 소프트웨어를 맞 춥니 다.
    4. AlignTrackingMarkers 정렬 소프트웨어를 사용하여 추적의 Wiimote 및 3D 고글의 설정 방향입니다.

3. 사용하기 위해 3D 모델링 시스템 준비

  1. 시작하기 전에 모든 반사 보석 (즉, 시계, 귀걸이, 금속 등)을 제거합니다. 화면에 집중하기 위해 필요한 교정 안경을 제거하지 마십시오.
  2. 3D / VR 시각화 시스템의 장비를 조립 :
    1. 모델링 컴퓨터
    2. 추적 컴퓨터
    3. 대형 3D 지원 TV
    4. 모델링 컴퓨터 및 3D TV 사이의 비디오 케이블
    5. 3D TV를위한 3D IR 이미 터
    6. 모델링 및 추적 시스템에 대한 이더넷 케이블
    7. 추적 뿔의 Wiimote (컨트롤러)
    8. 추적 뿔 3D 안경 (3D 고글) (5)
  3. 조심스럽게 만지거나에 부착 된 구형 IR 추적 마커를 움직이지 않도록주의하면서 모델링 컴퓨터에서 쉽게 도달 할 수있는 컨트롤러를 배치합니다.
  4. 조심스럽게 (이전과 반사 마커에 닿지 않도록해야합니다) TV 스탠드에 3D 고글을 배치합니다.
  5. 이 OFF 전원이 켜져있는 동안, 추적 3 컴퓨터 USB 포트로의 3D TV 위에 장착 IR 카메라에서 3 개의 USB 케이블을 연결합니다.
  6. 3D TV 리모콘을 찾아 및 3D TV의 전면에 배치합니다.
  7. 모델링 컴퓨터의 그래픽 카드 및 3D TV의 영상 입력 비디오 케이블을 연결한다. 또한, 3D TV에서 3D 동기화 출력을위한 3D IR 이미 터를 연결하고 TV에 이미 터가 고글이 사용되는 곳을 향해 가리키는, TV의 가까운쪽에 서 놓습니다. 교정 TV의 위치를​​ 이동하지 않도록주의해야합니다.
  8. 욕실에 모델링 컴퓨터에 전원을 켜기 전에 3D TV를 ON컴퓨터에 의해 확인 올바른 인식.
  9. 모델링 컴퓨터를 켭니다. 로그인 프롬프트로 모델링 컴퓨터를 부팅 한 후, 해당 계정에 모델링 컴퓨터 리눅스 시스템에 로그인합니다.
  10. 모델링 컴퓨터 바탕 화면이 가능하면, "정보 / I"버튼을 누름으로써 비디오 케이블 연결 상태를 확인하는 3D TV 리모콘을 사용한다. 있는지 확인 왼쪽 상단 모서리에있는 TV 화면에 "1920 × 1080 @ 60Hz에서". 그렇지 않은 경우, 3 차원 TV의 올바른 인식을 확립하기 위해 모델링 컴퓨터를 다시 부팅합니다. 또한 TV 리모컨 설정 메뉴를 사용하여, 3D 출력 모드 2에 있는지 확인합니다.
  11. 모델링 컴퓨터 바탕 화면에서 여러 개의 탭으로 터미널 창을여십시오.
  12. 추적 컴퓨터에서 명령 창에서 다음 "ipconfig"를 입력하여 이더넷 어댑터의 IP 주소를 확인합니다.
  13. 모델링 컴퓨터에서 터미널 창 탭을 열고 VRDevices.cfg 파일 내에서 확인이 "서버 이름"정의추적 컴퓨터 이더넷 어댑터 IP 주소.
  14. 필요한 경우, 추적 컴퓨터 이더넷 적응 일치 VRDevices.cfg에서 "서버 이름"IP 주소를 변경, 저장 및 VRDevices.cfg.
  15. 추적 컴퓨터에서 OptiTrack 강체 도구 소프트웨어를 시작합니다.
  16. 소프트웨어는 다음 완전히 열고 "로드 교정 결과"로 표시된 상단 메뉴 근처에 큰 버튼을 클릭 할 수 있습니다.
  17. 를 찾아 적절한 카메라 보정 파일을 엽니 다.
  18. 파일을로드 한 후, "파일"메뉴를 클릭하고 "로드 강체 정의"를 선택합니다.
  19. 를 찾아 추적 컨트롤러와 3D 고글에 적합한 강체 정의 파일을 엽니 다.
  20. 추적 소프트웨어의 오른쪽 창에서 다음 "브로드 확인 나열된 포트 번호는 3883입니다 확인,"스트리밍 "이라는 섹션을 찾습니다"VRPN 스트리밍 "카테고리 아래 섹션을 확장 한VRPN 스트리밍 엔진 "카테고리"내부 박스 "프레임 데이터를 캐스팅.
  21. 모델링 컴퓨터에서, 컨트롤러가 직접 손에 또는 (2 초 거리 최대) 즉시 도달 중 하나입니다 있는지 확인하십시오.
  22. 모델링 컴퓨터에서 이전이 세션에서 만든 터미널 창에서 탭을 불러로 이동 한 다음 "./VRDeviceDaemon"를 입력, 예를 들면, VRDeviceDaemon 소프트웨어를 시작합니다.
  23. 에 프롬프트에 따라 활동이 성공하면, 윈도우가 이제 표시됩니다 "버튼을 누르는 동시에 Wiimote의 1 & 2를." "VRDeviceServer가 : 클라이언트 연결을 위해 대기".

NCK 소프트웨어 사용 4. 테스트 3D / VR 시각화 시스템

다음에 나오는 지침 구축하고 탄소 nanotu을 조작하는 방법을 다음 컨트롤러 도구 기능을 설정하기 위해 NCK 소프트웨어 온 스크린 메뉴를 사용하는 방법에 대해 간략하게 설명합니다구성 탄소 원자 (그림 4)에서 3D / VR 작업 공간에. 그 결과 채권 각도와 거리 (단계 4.4.10)을 측정하는 방법에 대한 지침은 10 온라인으로 사용할 수 있습니다.

그림 4
탄소 나노 튜브를 연구하는 3D / VR 시각화 시스템 (탄소 나노 튜브)를 사용하여 그림 4. 학부 학생 사진 (A) -.. (F) 단일 벽 탄소 나노 튜브의 건축 과정을 보여 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 .

  1. 3.11 단계에서 생성 모델링 컴퓨터 단말 윈도우 내에서, 세 번째 탭을 선택한다. NCK 설치 디렉토리를 입력로 이동, NCK 소프트웨어를 시작하려면 :
    "./NanotechConstructionKit -rootSection 로컬 호스트 -domainsize 36 ".
  2. 만지거나 부착 된 추적 마커를 풀어지지 않도록주의하면서 3D 고글에 넣고 컨트롤러를 선택합니다. 3D 고글을 보장하기 위해 헤드 / 고글보기 위치를 조정합니다 TV 디스플레이의 3D / VR보기를 허용, 동기 신호 방출기 3D TV IR을 받고 있습니다.
  3. 위해 다음과 같이 컨트롤러의 버튼에 NCK 명령 연결을, 원자를 이동, 삭제, 추가 지정하는 도구 모음을합니다 :
    1. 다음 홈 버튼을 놓으면, 누르고 Wii​​mote의에 홈 버튼을 누르고, 탐색하고 "도구를 오버라이드 (override)"메뉴 항목을 선택하여 주 NCK 화면 메뉴를 불러옵니다. 이것은 서로 독립적으로 컨트롤러에서 다른 버튼에 명령을 할당 할 수 있습니다.
    2. NCK 눌러 내 원자를 조작하는 조치 (컨트롤러의 하단에) Wiimote의 트리거 버튼을 연결하고 트리거 버튼을 길게하려면 #을 & 화면의 NCK 메뉴를 탐색8220; 드래 "하고"6-DOF 드래는 "다음 방아쇠를 놓습니다. 트리거 이제 원자를 조작 작용과 관련된다.
    3. Wiimote의에서 "+"버튼에 원자를 추가하는 기능을 할당하려면 눌러 홈 버튼을 누르고 있으면 메인 메뉴를 위로 가져올은 "구조 단위 유형"을 이동하고 "트라이앵글"을 선택한 후 홈 버튼을 해제 .
    4. 다음으로 눌러, "+"버튼을 누르고 "드래"로 이동하고 "6-DOF 드래 거를,"다음 "+"버튼을 놓습니다. "+"버튼은 현재 선택된 유형의 새로운 원자 (여기에서는 삼각형으로 표시되는 탄소 원자 수) 생성과 관련된다.
    5. "-"로 원자를 삭제하는 기능을 지정하려면 Wiimote의 버튼을, "구조 단위 유형"다음에 탐색, 눌러 "홈"버튼을 길게 눌러 메인 메뉴를 선택 & #8220; [선택한 단위 삭제 "를 선택한 다음 홈 버튼을 놓습니다.
    6. 다음으로, 언론과 개최 - "드래,"다음 "6-DOF 드래"로 이동하여 해제 버튼을 "-"버튼을 "". "-"버튼이 이제 삭제 원자와 관련된다.
    7. "1"Wiimote의 버튼에 "잠금 선정 단위"의 기능을 할당하기 위해 유사한 절차에 따라, 그리고 "2"컨트롤러의 버튼에 "선택한 장치의 잠금을 해제합니다."
  4. 컨트롤러 버튼이 구성 되었으면, 다음과 같이 사용을 NCK 카본 나노 튜브를 생성 :
    1. "+"버튼을 사용하여 NCK 작업 공간에 두 개의 3 결합 삼각 탄소 원자를 추가합니다. 그들이 가입 정점까지 이러한 트리거 버튼을 조작 할 수 있습니다.
    2. 육각형 별 모양을 만들 수 4 개 이상의 탄소 원자를 추가합니다.
    3. "홈"메뉴를 사용하여에 "I / O 메뉴"다음 "저장 단위를 이동합니다.
    4. 멀리 현재 위치에서 6 뾰족한 구조를 이동합니다.
    5. "홈"메뉴를 사용하여에 "I / O 메뉴는"다음 "로드 단위를 이동합니다.
    6. 육각 6 원자 고리의 6으로 6 시트 (그림 5A)를 생성 될 때까지 마지막 두 단계를 반복합니다.
    7. "1"버튼을 이용하여, 하나의 맨 위 행에 원자이고, 아래쪽 행에 반대 원자를 잠급니다. 잠긴 원자는 핑크 색상 (그림 5B)로 표시됩니다.
    8. 자유 정점 반대 잠긴 원자의 자유 정점에 도달 할 때까지 트리거 버튼을 사용하여 조심스럽게 원호에 잠긴 원자 중 하나를 이동합니다. 그들은 원자 매력이 그들을 결합 (그림 5C)에 가입하게됩니다 충분히 가까운 경우 녹색 선은 정점 사이에 나타납니다. 일단 성공적으로 결합, "2"버튼을 이용하여 원자의 양쪽을 해제.
    9. 유사하게, 잠금 가입 및 잠금 해제 원자 VER 반대 계속tices 카본 시트에서 효과적으로 최종 카본 나노 튜브 (도 5D-5F)로 시트를 「완봉」.
      그림 5
      그림 5. 단계적 생성 단벽 CNT 도시 대해 쉽게 조작 할 수 있도록 (핑크 삼각형으로 표시) "잠김"(A) 탄소수 대향 각형 탄소 고리의 6 × 6 시트 (그라 펜), (B)를 현실적인 자간 력은 대향 측면 상에 원자 사이의 결합을 허용하도록 신중하게 만곡 (C) 탄소 (그라 펜) 시트 (D) 상기 ​​카본 시트 곡률을 지원하기 위해 로크 개의 추가적인 대향 탄소 원자 (E) 부가 대향 탄소 원자는 탄소를 계속 접합 나노 튜브, 및 (F)로 최종 CNT 시트는 원래의 곡률 (C)의 대향 원자의 순차 접합 한 후에 형성Arbon의 시트 (그래 핀). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
    10. 나노 튜브가 완료되면, 구조 (10)의 각도와 거리를 확인하는 화면 측정 도구를 사용한다.

분자 역학 시뮬레이션 모델 5. 시각화

  1. (도 2a 참조) 3D / VR NCK 소프트웨어에 초기 결정질 SiO2를 입방체 모델을 반입하고, 초기 구조를 조사.
  2. 오픈 소스 프로그램은 11 LAMMPS (12)가 있기 때문에이 연구의 초점에 적합하다 기능의 대상이되었다 MDCASK. 후자의 프로그램은 자사의 다양한 자간 잠재력 및 GPU 컴퓨팅 기능에 대해,이 작업에 사용된다. LAMMPS MD 패키지 (12)를 사용하면, / 시뮬레이션 용융을 실행 비정질 SiO2를 성을 생산하는이 초기 구조에 절차를 소멸 ructure. 이 시뮬레이션 절차에 대한 자세한 내용은 이전의 출판물 13-15에서 찾을 수 있습니다.
  3. 3D / VR NCK 소프트웨어로 생성 된 새로운 비정질 (무질서)의 SiO2 모델을 가져 오기 및 구조를 조사 (그림 2B 참조).
  4. 새로운 비정질 고체를 사용하여 오픈 소스 코드 NanospringCarver (16) 및 관련 교육 문서 (17) (그림 6) 중의 SiO2 나노 스프링 / 나노 리본을 만듭니다. 그림 6
    NanospringCarver 프로그램을 이용하여 나노 스프링의 생성에서 다른 단계에서 단계별 원자 선택 프로세스의도 6 그림 부품. (A - D) 표시 25 %, 50 %,이 공정의 75 %와 100 % 완료 17.대상 = "_ 빈">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
  5. 나노 스프링 / 나노 리본 (그림 7)에 인장 시뮬레이션을 수행 할 수 LAMMPS MD 패키지를 사용합니다. 이 절차에 대한 자세한 사항은 이전 간행물 (15)에서 찾을 수 있습니다.
    그림 7
    LAMMPS MD 실리카 나선형 나노 구조 (나노 리본) 인장 시뮬레이션 결과에서 그림 7. 스냅 샷 이미지.
  6. 3D / VR 시각화 시스템에서 프리젠 테이션을 위해,이 시뮬레이션 (애니메이션 그림 1)를 통해 스냅 샷과 나선형 나노 구조의 애니메이션을 만들기 위해 오픈 소스 소프트웨어 도구 VMD (시각화 분자 역학) 18 ImageMagick의 19과는 FFmpeg (20)를 사용합니다. 여기를 클릭하십시오 더 큰 V를 볼 수 있습니다이 그림의 ersion.

애니메이션 그림 1 나선형 나노 인장 시뮬레이션. 애니메이션.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

이 3D는 / VR 시각화 시스템은 재료 과학 연구를 수행하기위한 새로운 기회를 제공한다. 이 몰입 환경이 실시간으로 동작하므로, 3 차원 입력 및 표시의 형태로, 연구자는 완전한 대화 형 기기 관련된 과학이 제시된다. 여기에 제시된 프로토콜을 준수함으로써, 실리카 나선형 나노 리본이 단계별 방식으로 만들어졌습니다. LAMMPS MD로부터 생산이 구조의 스냅 샷이도 7에 도시된다.이 구조는 시뮬레이션 된 인장 시험을 실시하고,이 시뮬레이션 결과는 인장력 하에서 구조의 개편과 실패를 도시 애니메이션도 1에 나타낸다.

실시간 상호 작용과 강력한 MD 시뮬레이션 (15)와 몰입 환경의 시각적 특성을 결합함으로써, 연구진은 직관적 인 제어 및 완전한 기능을 갖춘 분석 혜택을 누릴 수 있습니다.

목MD 기능이있는 전자 향상된 3D / VR 시각화 시스템은 철저하게 테스트 및 비정질 실리카 나노 와이어, 나노 리본과 나노 스프링 (15)의 인장 시뮬레이션에 초점을 맞추고, UC 머 시드의 빌라 연구소에서 나노 과학 연구에서 구현되었다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

3D / VR 시각화 시스템의 성공적인 설치 및 사용에 중요한 요소는 물리적 환경과 설계 고려 사항 및 보충 자료의 특별 고려 사항에 자세히 설명되어 있습니다. 중요 설치 고려 사항 편안 장기간 서 있거나 앉아있는 사용을 위해 3D 디스플레이의 높이를 포함, IR 반사 요소의 큰 3D 작업 영역, 안정적인 추적 카메라와 시간이 지남에 따라 구성을 유지하기 위해 3D 디스플레이 지원 및 제거를 만들기 위해 카메라 장착 높이를 추적 극대화 3D 작업 영역에서. 설치 지침에서 언급 한 바와 같이 사용할 수있는 추적 카메라 설치 높이가 제한되는 경우, 다른 카메라의 방향은 최대의 3D 작업 공간을 만들 필요가있다.

추적 소프트웨어 구성 중, 지팡이 캡처 단계는 최종 추적 정확성을 위해 중요하다. 케어는 반사 지팡이 토르 이동주의해야한다하여 깨끗이 원활 추적 카메라 오버랩 영역에 걸쳐 요구되는 오차 값이 달성 될 때까지 필요한만큼이를 반복, 어떤 카메라를 차단 또는 이차 반사 물체를 도입하지 않고. 전술 한 섹션에서 설명한 바와 같이, 시스템 사용 중에 그것이 3D 동기화 IR 신호와 트랙킹 IR 신호로부터의 간섭을 방지하기 위해 3D 안경에 작은 보호막을 생성하는 것이 중요 할 수 있고,를 최대화하기 위해 신선한 3D 고글 배터리를 사용하는 3D 동기화를 고글. 또한, 일관된주의 만지거나 3D 고글 및 Wiimote의 IR 반사 분야를 변경하고 물리적으로 정확한 3D 추적 및 이미지를 유지하기 위해 추적 카메라 나 3D 표시 위치를 이동하지 않도록주의해야한다.

새로운 헥타르에 접근하는 동안 다른 이전 노력 (VMD, 생체 분자 시스템 (21)에 대한 인기 분자 시각화 및 모델링 소프트웨어를 통해, 예를 들어) MD와 실시간 상호 작용에 초점을 맞추고있다적이 다른 사용자 인터페이스를 구현 및 3D 제스처 및 음성 (22)를 제어한다. 또 다른 그룹의 23 나노 시스템 내에서 에너지와 원 자간 힘을 업데이트 적응, 증분 알고리즘을 통합 소프트웨어를 제공합니다. 이 LAMMPS 오픈 소스 코드 (12)를 통해 가상 현실 환경에서 상호 작용 및 MD 시뮬레이션 기능으로, 오픈 소스 NCK 소프트웨어 (6)을 통해 나노 물질의 3D 시각화 구성으로이 작품에 설명 된 시스템은 특정 대상을 포함한다. 다양한 강력한 자간 잠재력이 나노 물질을 연구 할 수 있기 때문에이 코드는 재료 과학 연구를위한 유연성을 할 수 있습니다. 따라서,이 작품의 시스템은 다른 접근 방법이 아니라, 나노 재료 연구에 초점을 맞춘 MD 시뮬레이션과의 상호 작용과 유사한 요소를 포함한다.

여기에 설명 된 3D / VR 시각화 시스템의 중요성은, 그것은 설정 간단하고 저렴한 비용 때문이다더 비싼 전문 몰입 환경보다 평균 연구원 또는 교육자 사용하기 D보다 유연. GPU 가속 MD 시뮬레이션 능력의 첨가는 실험실 내에서 에너지 및 공간 절약, 고성능 컴퓨팅 환경을 만들기 위해 급변 컴퓨팅 기술을 이용한다. 고급 분석 기능과 결합 된이 소설 몰입 도구는 강력한 및 재료 과학 등의 분야에서 사용하기에 효율적이며, 나노 연구와 교육에 대한 고유 적합하다. 이 시스템은 2012 년 6 월 시리즈 UCTV에 "우리의 디지털 라이프"24 (공공 봉사 언론 매체와 최초의 대학이 운영하는 유튜브 원래 채널)에 전시 될 선정되었다.

연구 및 교육 도구 모두 같이, 가속 MD 기능을 갖춘 3D / VR 시각화 시스템 코치 - 우리 군을 포함한 학제 간 공동 연구 및 새로운 학습 방법의 통합을 촉진제작 교육, 적극적인 학습, 시스템 3 용으로 개발 된 대화 형 설명서의 사용 등 다양한 학습 스타일. 3D / VR 시각화 시스템의 구현은 피어 리뷰 출판물, 여러 회의 프리젠 테이션, 석사 논문, NSF 상, 학제 간 협력을 가져왔다.

잠재적 인 장래의 개발 및 기재된 3D / VR 시각화 시스템의 확장은 가상 현실 환경에 유지하면서, MD 프로그램 (LAMMPS)와 직접 상호 작용을 촉진하기 위하여 NCK 3D 인터페이스 내의 메뉴 구동 툴의 추가를 포함 할 수있다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

저자는 그들이 더 경쟁 금융 이익이 없다는 것을 선언합니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Samsung 61" 3D-capable high definition DLP TV Samsung http://www.samsung.com/us/video/tvs See Protocol Section 3 (Step 3.2)  (Large format 3D-capable TV)
Alienware Area51 750i modeling computer Alienware http://www.alienware.com See Protocol Section 1 (Step 1.1)  (Modeling computer)
HP EliteBook 8530w tracking computer HP http://www.hp.com See Protocol Section 2 (Step 2.3)  (Tracking computer)
V100:R2 IR tracking cameras (3) Naturalpoint http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/ See Protocol Section 2 (Step 2.1) and Reference [4]  (Tracking cameras)
OptiTrack Tracking Tools IR tracking software Naturalpoint http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/ See Protocol Section 2 (Step 2.3) and Reference [4]  (Tracking software)
3D Goggles and 3D TV IR sync emitter Ilixco http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html See Protocol Section 3 (Step 3.2) and Reference [5]  (3D goggles)
Wiimote 3D controller Nintendo http://www.nintendo.com/wii See Protocol Section 3 (Step 3.2)  (Wiimote)
VRUI, NCK and associated 3D/VR modeling software Open source software http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html See Protocol Section 1 (Step 1.3) and References [1,6]  (VRUI, NCK)
LAMMPS molecular dynamics software Open source software http://lammps.sandia.gov/  See Protocol Section 5 (Step 5.2) and Reference [12]  (LAMMPS)
NanospringCarver program code and files UC Merced - open source http://tinyurl.com/qame8dj See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]  (NanospringCarver)
MATLAB GUI files UC Merced - open source http://tinyurl.com/qame8dj See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]  (NanospringCarver)
Atomistic bulk glass input file UC Merced - open source http://tinyurl.com/qame8dj See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]  (NanospringCarver)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kreylos website, O. Low-Cost VR 3D/VR tutorial. University of California Davis. Davis, CA. Available from: http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/LowCostVR/index.html (2013).
  2. Doblack, B. N., Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. The emergence of immersive low-cost 3D virtual reality environments for interactive learning in materials science and engineering. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1320, (2011).
  3. Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. Enhancing materials research through innovative 3D environments and interactive manuals for data visualization and analysis. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1472, (2012).
  4. IR tracking camera and software source. Naturalpoint. U.S.A. Available from: http://www.naturalpoint.com/optitrack (2013).
  5. 3D goggle source. Ilixco. U.S.A. Available from: http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html (2013).
  6. Kreylos, O. Nanotech Construction Kit. University of California Davis. Davis, CA. Available from: http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html (2013).
  7. Compute Unified Device Architecture (CUDA). U.S.A. Available from: http://www.nvidia.com/object/cuda_home_new.html (2013).
  8. Graphics Processing Unit (GPU) computing. U.S.A. Available from: http://www.nvidia.com/object/what-is-gpu-computing.html (2013).
  9. GPU applications. U.S.A. Available from http://www.nvidia.com/object/gpu-applications.html?mDicS (2013).
  10. “3D/VR Visualization System - Startup and Shutdown Protocol” and “3D/VR Visualization System – CNT Modeling Example” documents. University of California Merced. Merced, CA. Available from: https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/3d-vr-visualization-system-dissemination-of-research-results-and-products (2013).
  11. MDCASK molecular dynamics code. Livermore National Laboratory. Livermore, CA. Available from: https://asc.llnl.gov/computing_resources/purple/archive/benchmarks/mdcask (2013).
  12. LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) molecular dynamics code. Steve Plimpton. Albuquerque, NM. Available from: http://lammps.sandia.gov (2014).
  13. Feuston, B. P., Garofalini, S. H. Empirical three-body potential for vitreous silica. J. Chem. Phys. 89, (9), 5818-5824 (1988).
  14. Dávila, L. P., et al. Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure. Phys. Rev. Lett. 91, (20), 2055011-2055014 (2003).
  15. Doblack, B. N. The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems. University of California Merced. Merced, CA. (2013).
  16. NanospringCarver. University of California Merced. Merced, CA. Available from: http://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products (2013).
  17. Meagher, K. A., Doblack, B. N., Ramirez, M., Dávila, L. P. Scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3D visualization. J. Vis. Exp. In-Press, Forthcoming.
  18. Visualize Molecular Dynamics (VMD). Open source molecular visualization software. U.S.A. Available from: http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd (2013).
  19. ImageMagick. U.S.A. Available from: http://www.imagemagick.org (2013).
  20. FFmpeg. Open source multimedia file converter. U.S.A. Available from: http://www.ffmpeg.org (2013).
  21. Interactive Molecular Dynamics Simulation. Theoretical and Computational Biophysics Group. U.S.A. Available from: http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/imd (2014).
  22. Molecular Control Toolkit. Aquaria: Integrating Sequences, Features, and 3D Structures. Australia. c2013-2014 Available from: http://aquaria.ws (2014).
  23. Nano-D Research Group. Algorithms for Modeling and Simulation of Nanosystems. France. Available from: http://nano-d.inrialpes.fr (2014).
  24. University of California Television (UCTV). Our Digital Life series: The Future: Teaching and Life-Saving Tools episode. University of California. U.S.A. Available from: http://www.uctv.tv/search-details.aspx?showID=23734 (2013).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics