رواية 3D / VR بيئة تفاعلية لMD المحاكاة، والتصور والتحليل

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:

 

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

التطور المتزايد للحوسبة (الأجهزة والبرمجيات) في العقود الأخيرة قد أثر البحث العلمي في العديد من المجالات بما في ذلك علوم المواد، وعلم الأحياء والكيمياء والفيزياء وغيرها. ويرد النظام الحسابي الجديد لمحاكاة دقيقة وسريعة و3D / VR التصور النانو هنا، وذلك باستخدام المصادر المفتوحة LAMMPS ديناميات الجزيئية (MD) برنامج كمبيوتر. وتستخدم هذه الطريقة الحسابية بديل المعالجات الرسومية الحديثة والتكنولوجيا NVIDIA CUDA ورموز علمية متخصصة للتغلب على الحواجز سرعة المعالجة المشتركة لأساليب الحوسبة التقليدية. جنبا إلى جنب مع نظام الواقع الافتراضي المستخدمة لنمذجة المواد، هذا التعزيز يسمح بإضافة تسارع القدرة محاكاة MD. الدافع هو توفير بيئة بحثية جديدة في نفس الوقت الذي يسمح التصور، والمحاكاة والنمذجة والتحليل. هدف البحث إلى تحقيق هيكل وخصائص ن غير العضويةanostructures (على سبيل المثال، nanosprings زجاج السيليكا) في ظل ظروف مختلفة باستخدام هذا النظام الحسابي مبتكرة. العمل المقدم يحدد وصفا للنظام التصور 3D / VR والمكونات الأساسية، لمحة عامة عن الاعتبارات الهامة مثل البيئة المادية، وتفاصيل عن الإعداد واستخدام نظام الرواية، وإجراء عام لتعزيز MD المعجل، المعلومات التقنية ، وتصريحات ذات الصلة. تأثير هذا العمل هو إنشاء نظام حاسوبي فريد الجمع بين المواد النانوية محاكاة والتصور والتفاعل في بيئة افتراضية، والتي هي على حد سواء أداة البحث والتدريس في جامعة كاليفورنيا في الرحمة.

Introduction

علوم المواد هو حقل متعدد التخصصات التي تدرس العلاقات هيكل الملكية في مسألة لتطبيقها على العديد من مجالات العلوم والهندسة. كما يتم التحقيق العلاقات هيكل الملكية من خلال محاكاة الكمبيوتر بالإضافة إلى التجريب، والأدوات الحسابية توفر ميزات التكميلية التي يمكن أن تعزز الجهود البحثية. بينما المواد متناهية الصغر هي التي تهم العلماء ولها قيمة التعويض عن الأثر الاجتماعي المحتمل، وهذا النظام حجم محفوف العديد من التحديات وجدت وخاصة في التجريب.

المحاكاة الحاسوبية تسمح للعلماء والمهندسين لأداء الاختبارات المتخصصة في مجموعة كبيرة ومتنوعة من بيئات محدودة فقط من الوقت والموارد الحاسوبية. ديناميات الجزيئية (MD) المحاكاة تسمح الوقت المناسب والمقاييس طول لدراسة الظواهر ذات الاهتمام في العديد من المواد النانوية. المحاكاة توسيع دراسة المواد عن طريق إزالة القيود رانه المختبر المادي، ولكن العديد من الأدوات الحسابية تفتقر الوصول إليها، واجهات بديهية للأبحاث. تعزيز مع عرض رسومية من النماذج، والخوارزميات الحسابية كفاءة، وحدة المعالجة الرسومية (GPU) الحوسبة المستندة تكمل جهود محاكاة الحالية. هذه الأجهزة رسومات جديدة مع الجمع بين وحدة المعالجة المركزية بكفاءة للسماح حسابات مكثفة حسابيا التي يتعين إنجازها من قبل GPU. والنتيجة هي تسريع الفعال لحساب بناء على أمر من 10X يرافقه انخفاض في استهلاك الطاقة يصل إلى 20x و.

وكان الهدف من هذا المشروع البحثي لتطوير وتنفيذ أداة جديدة لتحقيق النانو الذي يربط مباشرة واجهة تفاعلية لمحاكاة MD، تحليل علوم المواد والتصور 3D. وقد استخدم هذا النظام المبتكر مع قدرات التحليل فريدة وقوية للأبحاث النانو والتعليم في جامعة كاليفورنيا في ميرسيد، مع آثار مباشرة ليختلط أخرى الحقول STEM ated مثل تكنولوجيا النانو، والفيزياء، والأحياء، والجيولوجيا، والاستفادة القصوى في التعليم والمجتمع.

تم تنفيذ نظام التصور 3D / VR على حد سواء أداة البحث والتدريس التي يسمح بإنشاء والتلاعب هياكل ذرية في بيئة تفاعلية الواقع الافتراضي 3D (VR). تم إنشاء نظام من مجموعة من الاسعار المنخفضة نسبيا والمكونات يمكن الوصول إليها وفقا لنموذج ضعت أصلا من قبل الدكتور أوليفر Kreylos في جامعة كاليفورنيا في ديفيس 1.

وفيما يلي صورة للتخطيط 3D النهائي / VR نظام التصور، مع عناصر هامة المسمى (الشكل 1). أنشئ هذا النظام في الأصل لأغراض التعليم في جامعة كاليفورنيا في ميرسيد في عام 2009. نتج عن تنفيذ 3D الأصلي / نظام VR في منشورات لاستعراض الأقران 2-3. ويلخص الجدول 1 أدناه الخصائص الرئيسية لكل عنصر من عناصر النظام التصور 3D / VR.

ntent "FO: المحافظة على together.within صفحة =" دائما "> الشكل (1)
الشكل 1. 3D / VR نظام التصور والمكونات الرئيسية (يسار) في مختبر أبحاث دافيلا في UCM والأجهزة التصور (يمين). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

بند عنصر وظائف في النظام
A TV 3D 3D عرض الهياكل الجزيئية غرار والقوائم على الشاشة.
B الأشعة تحت الحمراء (IR) كاميرات تتبع 4 كاميرات الأشعة تحت الحمراء مواقف مسار ييموت و 3D نظارات عرض في مساحة العمل المستعمل أمام التلفزيون 3D، مما يسمح فيرالتلاعب توال 3D هياكل المعروضة.
C تتبع PC يدير IR البرمجيات تتبع الكاميرا وينقل ييموت و 3D مواقف حملق إلى جهاز الكمبيوتر النمذجة.
D ييموت تستخدم لإدارة على الشاشة من البرمجيات النمذجة والتلاعب الهياكل في بيئة افتراضية 3D.
E نظارات 3D 5 تزامن ذلك مع إشارة 3D TV IR، والسماح عرض 3D هيكل. موقف تتبعها كاميرات الأشعة تحت الحمراء للدقيقة عرض 3D.
F PC النمذجة يدير NCK / VRUI 3D النمذجة وعرض البرنامج يقبل حملق ييموت الموقف والسيطرة / إشارات لخلق دقيق 3D عرض التركيب الجزيئي.

الجدول 1. وظيفة من العناصر الرئيسية للنظام التصور 3D / VR في UCM.

Descriptioن من 3D / VR نظام التصور ومكوناتها الأساسية:

3D / VR التصور نظرة عامة على نظام - و3D / VR نظام التصور يتكون من مجموعة من كاميرات الأشعة تحت الحمراء وتتبع البرامج التي تعمل جنبا إلى جنب مع 3D نماذج البرمجيات للسماح للمستخدم لإنشاء تفاعلي 3D الهياكل الجزيئية. كاميرات الأشعة تحت الحمراء والبرمجيات تتبع الموقع 3D من ييموت و 3D نظارات المشاهدة باستخدام علامات الأشعة تحت الحمراء، وتمرير ذلك إلى نماذج البرمجيات. برنامج النمذجة يستخدم إشارات التحكم ييموت والحركة لتوليد الهياكل الجزيئية 3D للعرض باستخدام مزيج من التلفزيون شكل واسع 3D مع نظارات 3D قادرة متزامنة وتتبعها. وهذا يؤدي إلى 3D الواقع الافتراضي مساحة العمل من خلاله يمكن للمستخدم إنشاء حيوي والتلاعب الهياكل الجزيئية في الظاهرية التي تعكس السلوك المادي في العالم الحقيقي القائم على القوات بين ذرية تستخدم في نماذج البرمجيات (الشكل 2). considerati خاصةإضافات لإقامة هذا النظام يمكن العثور عليها في المواد التكميلية.

الشكل 2
الشكل 2. التحقيق في المواد متناهية الصغر السيليكا باستخدام نظام التصور 3D / VR. (أ) بإنشاء الباحث نموذجا cristobalite الأولي (بلوري) قبل المحاكاة المعتمدة على GPU. (ب) عند إجراء MD محاكاة الإجراء تذوب إخماد على النموذج المبين في الفقرة (أ)، باحث آخر يحصل على نموذج زجاج السيليكا (غير البلورية). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

3D / VR التصور تعزيز النظام - MD محاكاة القدرة:

ديناميات الجزيئية يتم تنفيذ أنظمة المحاكاة عادة فيأزياء متعددة العقدي، وهذا هو، يتم توزيع عبء العمل كبير أو بشكل متوازي بين عشرات الآلاف من المعالجات. مؤخرا، ظهرت فرص إضافية للحوسبة العلمية المتسارعة من التطورات في معالجة الرسومات الكمبيوتر. وتشمل هذه التطورات واجهة البرنامج يسمح العلماء للاستفادة من طبيعة موازية للغاية من قوة المعالجة الجوهرية لرقائق الرسومات. مع ظهور حساب العمارة جهاز الموحدة أو CUDA يمكن للعلماء استخدام وحدات معالجة الرسومات 8 لتعزيز السرعة التي يتم حل المشاكل مع الحد من تكلفة البنية التحتية. قد يكون للGPU نموذجي ما يعادل مئات الآلاف من النوى أو "العقد" لمعالجة المعلومات، ولأن هذه يمكن لكل استخدامها في موازاة ذلك، قد توفر حلا مشفرة جيدا حتى 1،000x تسارع الخرج ضد نظيرتها متعددة النواة . رغم انه من غير مناسبة تماما كل مشكلة لهذا النهج، شهدت المحاكاة MD الحالية تصل إلى 15مكاسب العاشر من أداء نقل 9. تفاصيل عن 3D / VR نظام التصور تعزيز MD-GPU يمكن العثور عليها في المواد التكميلية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. تثبيت 3D / VR النمذجة البرمجيات على جهاز الكمبيوتر نمذجة

  1. تثبيت لينكس نظام التشغيل الأساسي على النمذجة PC (أوبونتو إلى x86 / AMD64 اعتمادا على الأجهزة).
  2. تعديل LINUX نظام التشغيل الأساسي.
    1. تثبيت المكتبات وإضافة وظائف حسب الضرورة.
  3. تثبيت VRUI وNCK 3D / VR نماذج البرمجيات على النمذجة PC 6.
    1. تحقق من المواقع ذات الصلة 1،6 للحصول على أحدث الإصدارات من جميع مكونات البرامج النمذجة.
    2. تجميع وتكوين واختبار VRUI.
    3. تركيب واختبار NCK.

2. إعداد نظام التتبع 1

  1. جبل تتبع كاميرات الأشعة تحت الحمراء 4
    1. إنشاء جامدة إطار الكاميرا تعليق مباشرة فوق الحافة الأمامية للTV 3D بالقرب من السقف لأفضل تغطية. جبل 3 كاميرات على يتصاعد قطب مباشرة فوق الزوايا الأمامية ومركز الأمامي للTV 3D. تأكد من أن زاوية تغطية كل كاميرا ز فقطrazes السطح الأمامي من التلفزيون.
    2. تهدف الكاميرات لديها أوسع زاوية التغطية (45 درجة) موازية للأمام التلفزيون 3D. استخدام أضيق زاوية التغطية (30 درجة) عمودي على أمام التلفزيون 3D. السماح لأكبر قدر من التداخل داخل المطلوب 3D مساحة العمل. ضمان الكائنات في ضوء اثنين على الأقل من الكاميرات لتعقبها بنجاح (الشكل 3).
      الشكل (3)
      الشكل 3. تغطية كاميرا الأشعة تحت الحمراء تتبع لتعظيم 3D مساحة العمل أمام التلفزيون. أجزاء (A) و (B) تظهر أمام وعرض جنب مع الاحترام للنظام التصور 3D / VR. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم .
  2. تجربة مع بديل التنسيب الكاميرا إذا لزم الأمر لخلق كافية3D مساحة العمل. قد تكون هناك حاجة هذا إذا يتم تقييد العمودية مسافة كاميرا التركيب.
  3. تركيب ومعايرة تتبع البرمجيات
    1. تثبيت OptiTrack الصلبة أدوات الجسم على الكمبيوتر تتبع باستخدام دليل التثبيت المدرجة.
    2. العتبة المحددة، التعرض، تقدر الإضاءة تعتمد على البيئة وضبط الجودة القبض على ارتفاع، على النحو المفصل في تعليمات تتبع البرمجيات.
    3. لالتقاط العصا، وتوخي الحذر لإزالة جميع المواد العاكسة الأخرى من مساحة العمل 3D. انتقال بسلاسة في جميع أنحاء منطقة عمل الكاميرا التداخل مع عصا العاكسة. كرر حتى مستوى ويعني الأخطاء أدناه "0.5" يتم الحصول عليها ثم حفظ الملف المعايرة.
    4. تعيين الطائرة على الأرض لإقامة منطقة عمل 3D تتبع تنسيق أصل النظام. تحديد ييموت و 3D حملق الأجسام تتبع على النحو المفصل في تعليمات تتبع البرمجيات.
  4. كاملة VRUI المعايرة
    1. تعيين VRUI لقبول trackinز معلومات من جهاز الكمبيوتر تتبع.
    2. تحقق من تتبع وظائف في VRUI باستخدام DeviceTest فائدة المعايرة.
    3. محاذاة عرض VRUI 3D والبرمجيات تتبع تنسيق النظم.
    4. توجه مجموعة من تعقب نظارات ييموت و3D باستخدام AlignTrackingMarkers البرمجيات المحاذاة.

3. إعداد نظام النمذجة 3D للاستخدام

  1. قبل بداية، وإزالة جميع المجوهرات عاكسة (أي، والساعات، والأقراط، والمعادن، الخ). لا تقم بإزالة النظارات التصحيحية اللازمة للتركيز على الشاشة.
  2. تجميع المعدات اللازمة لنظام التصور 3D / VR:
    1. كمبيوتر النمذجة
    2. كمبيوتر تتبع
    3. شكل كبير 3D قادر TV
    4. كابل الفيديو بين الكمبيوتر والنمذجة 3D TV
    5. 3D IR باعث للتلفزيون 3D
    6. كابلات إيثرنت لنمذجة وتتبع أجهزة الكمبيوتر
    7. ييموت مع قرون تتبع (تحكم)
    8. نظارات 3D مع قرون تتبع (نظارات 3D) 5
  3. وضع بعناية تحكم حيث يمكن الوصول إليه بسهولة من جهاز الكمبيوتر النمذجة، مع الحرص على عدم لمس أو تحريك IR كروية تتبع علامات المرتبطة به.
  4. وضع بعناية نظارات 3D على أهبة الاستعداد TV (كما كان من قبل، تأكد من تجنب لمس علامات عاكسة).
  5. توصيل الكابلات USB ثلاثة من كاميرات الأشعة تحت الحمراء التي شنت فوق TV 3D إلى 3 منافذ USB على الكمبيوتر تتبع، في حين انه مدعوم OFF.
  6. تحديد موقع السيطرة TV 3D النائية ووضعه أمام التلفزيون 3D.
  7. قم بتوصيل كابل الفيديو إلى بطاقة الفيديو على الكمبيوتر النمذجة ودخل الفيديو للتلفزيون 3D. أيضا توصيل باعث 3D IR لمزامنة الانتاج 3D من TV 3D، ووضع باعث على التلفزيون يقف الجانب القريب من التلفزيون، لافتا يصل نحو حيث سيتم استخدام نظارات واقية. كن حذرا جدا NOT لتغيير موقف TV معايرة.
  8. تحويل 3D TV ON قبل تشغيل على الكمبيوتر النمذجة لENالاعتراف السليم متأكد بواسطة الكمبيوتر.
  9. قم بتشغيل الكمبيوتر النمذجة. بعد تمهيد جهاز الكمبيوتر النمذجة إلى موجه تسجيل الدخول، تسجيل الدخول على نمذجة نظام LINUX الكمبيوتر لحساب المناسب.
  10. مرة واحدة سطح المكتب الكمبيوتر النمذجة هو متاح، استخدام جهاز التحكم عن بعد لتلفزيون 3D التحقق من حالة الاتصال كابل الفيديو عن طريق الضغط على "معلومات / ط" الزر. تأكد من أن يعرض شاشة التلفزيون "1920x1080 @ 60HZ" في الزاوية اليسرى العليا. إذا لم يكن كذلك، إعادة تشغيل الكمبيوتر النمذجة لإنشاء الاعتراف الصحيح للTV 3D. كما يجب التأكد من التلفزيون هو في 3D الناتج MODE 2، وذلك باستخدام القوائم الإعداد للتحكم عن بعد.
  11. على سطح المكتب الكمبيوتر النمذجة، وفتح نافذة الصالة مع العديد من علامات التبويب.
  12. على الكمبيوتر تتبع، تحقق من عنوان IP محول إيثرنت بكتابة "إيبكنفيغ" في نافذة الأوامر.
  13. على الكمبيوتر النمذجة، وفتح علامة تبويب نافذة الصالة وتحقق من داخل الملف VRDevices.cfg أن "الخادم" تعريفعنوان IP محول إيثرنت الكمبيوتر تتبع.
  14. إذا لزم الأمر، تغيير "الخادم" عنوان IP في VRDevices.cfg لتتناسب مع محول إيثرنت الكمبيوتر تتبع، وحفظ VRDevices.cfg.
  15. على الكمبيوتر تتبع، والشروع في OptiTrack الصلبة أداة الجسم البرمجيات.
  16. يسمح البرنامج لفتح تماما، ثم انقر على زر كبير بالقرب من القائمة العلوية المسمى "تحميل معايرة النتيجة".
  17. استعرض للوصول إلى وفتح ملف معايرة الكاميرا المناسب.
  18. بعد تحميل الملف، انقر فوق القائمة "ملف" وحدد "تحميل جامدة تعريفات الجسم".
  19. استعرض للوصول إلى وفتح جامدة الملف المناسب تعريف الجسم للتحكم تعقب ونظارات 3D.
  20. في جزء أقصى اليمين من تتبع البرامج، حدد موقع المقطع المسمى "الجري"، قم بتوسيع القسم وتحت فئة "VRPN الجري"، تحقق من أن رقم المنفذ المذكور هو 3883، ثم تحقق من "واسعةالزهر "مربع داخل" بيانات الإطار VRPN الجري محرك فئة ".
  21. في الكمبيوتر النمذجة، وتأكد من أن وحدة تحكم إما مباشرة في اليد أو يمكن الوصول إليها على الفور (2 ثانية بعيدا على الأكثر).
  22. على الكمبيوتر النمذجة، وطرح علامة تبويب في إطار المحطة الطرفية التي تم إنشاؤها في هذه الدورة في وقت سابق وانتقل إلى وثم بدء البرنامج VRDeviceDaemon، على سبيل المثال، كتابة "./VRDeviceDaemon".
  23. اتبع موجه إلى إذا كان النشاط ناجحا، فإن نافذة الآن عرض "أزرار الصحافة 1 و 2 على ييموت في وقت واحد." "VRDeviceServer: في انتظار اتصال العميل".

4. نظام التصور اختبار 3D / VR استخدام البرمجيات NCK

المجموعة التالية من تعليمات يحدد كيفية استخدام البرنامج NCK القوائم على الشاشة لإنشاء وظائف أداة تحكم، ومن ثم كيفية بناء والتلاعب nanotu الكربونيكون في مساحة العمل 3D / VR من ذرات الكربون المكونة (الشكل 4). تتوفر على الانترنت 10 على إرشادات حول كيفية قياس الزوايا السندات الناتجة عنها، والمسافات (الخطوة 4.4.10).

الشكل (4)
الشكل 4. طالب المرحلة الجامعية باستخدام نظام التصور 3D / VR لدراسة أنابيب الكربون النانوية (الأنابيب النانوية الكربونية) صور (A) -. (F) تبين عملية بناء واحد الجدران CNT الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم .

  1. داخل محطة نافذة الكمبيوتر النمذجة تم إنشاؤه في الخطوة 3.11، حدد علامة التبويب الثالث. لبدء البرنامج NCK، انتقل إلى دليل التثبيت NCK ونوع:
    "./NanotechConstructionKit -rootSection المضيف المحلي -domainsize 36 ".
  2. والحرص جدا على عدم لمس أو تخفيف علامات تتبع المرفقة، وطرح على نظارات 3D والتقاط وحدة تحكم. ضبط رئيس / حملق موقف عرض لضمان نظارات 3D يتلقون 3D TV IR باعث إشارة متزامنة، مما يتيح عرض 3D / VR من عرض التلفزيون.
  3. من أجل الحصول على مجموعة أدوات لإضافة، نقل وحذف الذرات، تعيين جمعيات قيادة NCK إلى أزرار على وحدة تحكم على النحو التالي:
    1. إظهار القائمة الرئيسية NCK على الشاشة عن طريق الضغط والضغط على زر الصفحة الرئيسية على ييموت، الانتقال إلى واختيار "تجاوز أدوات" عنصر القائمة، ثم تحرير زر الرئيسية. هذا يسمح بتخصيص الأوامر إلى أزرار مختلفة على وحدة تحكم بشكل مستقل عن بعضها البعض.
    2. لربط زر الزناد ييموت (على الجزء السفلي من وحدة تحكم) مع عمل التلاعب الذرات داخل NCK، اضغط مع الاستمرار على زر الزناد، وتنقل في القائمة NCK على الشاشة ل& #8220، الساحب "وحدد" 6-DOF الساحب "، ثم الافراج عن الزناد. ويرتبط على الزناد الآن مع عمل التلاعب الذرات.
    3. لتعيين وظيفة مضيفا ذرة إلى الزر "+" على ييموت، وجلب القائمة تصل الرئيسي عن طريق الضغط والضغط على زر الصفحة الرئيسية، انتقل إلى "أنواع وحدة بنائية"، وحدد "المثلث"، ثم حرر زر الصفحة الرئيسية .
    4. الصحافة المقبل والاستمرار على زر "+"، انتقل إلى "الساحب"، وحدد "6-DOF الساحب"، ثم حرر زر "+". ويرتبط على زر "+" الآن مع خلق ذرات جديدة من النوع المحدد (ذرات الكربون التي تمثلها مثلثات، في هذه الحالة).
    5. لتعيين وظيفة حذف ذرة إلى "-" زر على ييموت، إظهار القائمة الرئيسية عن طريق الضغط وعقد "الوطن" زر، ثم انتقل إلى "أنواع الوحدة الهيكلية"، وحدد & #8220، حذف وحدات مختارة "، ثم حرر زر الرئيسية.
    6. وبعد ذلك، اضغط مع الاستمرار على "-" زر، انتقل إلى "الساحب"، ثم "6-DOF الساحب،" والافراج عن "-" زر. ويرتبط زر الآن مع ذرات حذف - لل"".
    7. اتبع إجراء مماثل لتعيين وظائف "قفل وحدات مختارة" إلى "1" زر ييموت، و "فتح وحدات مختارة" إلى "2" زر التحكم.
  4. مرة واحدة وقد تم تكوين أزرار تحكم، إنشاء أنابيب الكربون باستخدام NCK على النحو التالي:
    1. باستخدام زر "+"، إضافة إلى اثنين من 3 السندات ذرات الكربون الثلاثي إلى مساحة العمل NCK. التعامل مع هذه باستخدام زر الزناد حتى ينضمون في قمة الرأس.
    2. إضافة 4 المزيد من ذرات الكربون لخلق شكل سداسي نجوم.
    3. باستخدام القائمة "الوطن"، انتقل إلى "I O قائمة الطعام /"، ثم "حفظ وحدات.
    4. نقل هيكل أشار 6 بعيدا عن موقفها الحالي.
    5. باستخدام القائمة "الوطن"، انتقل إلى "I O قائمة الطعام /"، ثم "وحدات تحميل.
    6. كرر الخطوات الأخيرة (2) حتى تم إنشاء ورقة 6 من 6 من 6 حلقات سداسية ذرة (الشكل 5A).
    7. باستخدام زر "1"، وقفل ذرة واحدة في الصف العلوي، وذرة معارضة في الصف السفلي. سوف يتم وضع علامة على ذرات تخوض مع لون وردي (الشكل 5B).
    8. باستخدام زر الزناد، والتحرك بحذر واحدة من ذرات تخوض قوس دائري حتى اقتراب ذروة لها المجانية قمة الرأس خالية من الذرة مؤمن معارضة. سوف يظهر الخط الأخضر بين القمم عندما تكون قريبة بما فيه الكفاية أن جذب الذري سوف تسبب لهم للانضمام مع السندات (الشكل 5C). مرة واحدة الانضمام بنجاح، وفتح كل من الذرات باستخدام زر "2".
    9. مواصلة تأمين بالمثل، والانضمام، وفتح معارضة النسخة الذرياملمارسات في ورقة الكربون، على نحو فعال "فتح سوستة" ورقة إلى أنابيب الكربون النهائي (أرقام 5D-5F).
      الرقم 5
      الرقم 5. الخطوة الحكيمة إنشاء واحدة الجدران CNT تظهر (A) 6 × 6 ورقة (الجرافين) من حلقات الكربون سداسية، (B) معارضة ذرات الكربون "مؤمن" (كما هو موضح المثلثات الوردية) للسماح أسهل التلاعب ضد القوات بين العناصر الواقعية، (C) الكربون (الجرافين) ورقة منحنية بعناية للسماح الترابط بين الذرات في طرفين متعارضين، (D) إضافية ذرتين معارضة الكربون مقفل لمساعدة المزيد من انحناء ورقة الكربون، (E) ذرات الكربون إضافية معارضة المستعبدين لمواصلة الكربون انحناء ورقة في الأنابيب النانوية، و (F) CNT النهائي بعد تشكيل الترابط متسلسل من ذرات معارضة من ج الأصليةورقة في Arbon (الجرافين). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
    10. عندما أنابيب اكتمال، واستخدام أدوات القياس التي تظهر على الشاشة لتأكيد زوايا الهيكلية والمسافات 10.

5. التصور من الديناميات الجزيئية نماذج المحاكاة

  1. استيراد البلورية شافي 2 نموذج تكعيبي الأولي في البرنامج 3D / VR NCK، والتحقيق في الهيكل الأولي (انظر الشكل 2A).
  2. البرامج المفتوحة المصدر MDCASK تم استهداف 11 و 12 LAMMPS بسبب الميزات التي هي مناسبة تماما لهذا التركيز على البحوث. ويستخدم هذا البرنامج الأخير في هذا العمل نظرا لإمكانياتها بين العناصر المختلفة والقدرة على الحوسبة GPU. باستخدام حزمة LAMMPS MD 12، تشغيل ذوبان محاكاة / إرواء الإجراء على هذا الهيكل الأولي لإنتاج غير متبلور شافي 2 شارع ructure. التفاصيل حول هذا الإجراء محاكاة يمكن العثور عليها في المنشورات السابقة 13-15.
  3. استيراد الناتجة جديد غير متبلور (المختلين) شافي 2 نموذج في البرنامج 3D / VR NCK والتحقيق في هيكل (انظر الشكل 2B).
  4. إنشاء شافي 2 nanospring / nanoribbon من جديد غير متبلور الصلبة باستخدام المصادر المفتوحة كود NanospringCarver 16 وما يرتبط بها من وثائق التعليمية 17 (الشكل 6). الشكل (6)
    الشكل 6. رسم توضيحي لعملية الاختيار ذرة خطوة بخطوة في مراحل مختلفة في إنشاء nanospring باستخدام برنامج NanospringCarver أجزاء. (A - D) إلى 25٪، 50٪، 75٪ و 100٪ الانتهاء من هذه العملية 17.الهدف = "_ فارغة"> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
  5. استخدام حزمة LAMMPS MD لأداء المحاكاة الشد على nanospring / nanoribbon (الشكل 7). التفاصيل حول هذا الإجراء يمكن العثور عليها في منشور السابق 15.
    الرقم 7
    الرقم 7. لقطة صورة من نتائج LAMMPS MD السيليكا حلزونية البنية النانوية (nanoribbon) محاكاة الشد.
  6. استخدام المصدر المفتوح أدوات البرمجيات VMD (تصور الجزيئية ديناميات) 18 يماغيماغيك 19، وFFMPEG 20 إلى إنشاء لقطات والرسوم المتحركة من البنية النانوية حلزونية طوال هذه المحاكاة (الرسوم المتحركة الشكل 1)، لعرضها في نظام التصور 3D / VR. الرجاء انقر هنا لعرض أكبر الخامسersion من هذا الرقم.

الرسوم المتحركة الشكل 1 . الرسوم المتحركة من حلزونية محاكاة البنية النانوية الشد.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

هذا 3D / VR نظام التصور فرصا جديدة لإجراء دراسات المواد العلمية. كما تعمل هذه البيئة غامرة في الوقت الحقيقي، في شكل مدخلات 3D، والعرض، وقدم الباحث بأداة nanoscaled تفاعلية بالكامل 2. باتباع بروتوكول المعروضة هنا، تم إنشاء nanoribbon السيليكا حلزونية في هذا الشكل خطوة بخطوة. وأظهرت لقطة من هذا الهيكل المنتجة من LAMMPS MD في الشكل 7. وقد تعرض هذا الهيكل لمحاكاة اختبار الشد، وأظهرت نتائج هذه المحاكاة في الرسوم المتحركة الشكل (1) الذي يوضح عملية إعادة التنظيم وفشل الهيكل تحت قوى الشد.

من خلال الجمع بين التفاعل في الوقت الحقيقي وطبيعة بصرية من بيئة غامرة مع المحاكاة MD قوية 15، يمكن للباحثين الاستفادة من السيطرة بديهية وتحليل كامل المواصفات.

عشرالبريد تعزيز 3D / VR نظام التصور مع القدرة MD تم اختبارها بدقة وتنفيذها في مجال البحوث النانو في مختبر دافيلا في جامعة كاليفورنيا في ميرسيد، مع التركيز على عمليات المحاكاة الشد من أسلاك السيليكا غير متبلور، nanoribbons وnanosprings 15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

العناصر الحاسمة في نجاح تركيب واستخدام نظام التصور 3D / VR هي مفصلة في البيئة المادية واعتبارات التصميم واعتبارات خاصة في المواد التكميلية. وتشمل الاعتبارات الهامة تركيب ارتفاع شاشة 3D لراحة طويلة الأجل أو استخدام الجذور، إلى أقصى حد تتبع كاميرا محمولة ارتفاع لخلق مساحة كبيرة 3D العمل، ومستقرة الكاميرا تتبع وعرض 3D دعم للحفاظ على التكوين على مر الزمن، وإزالة عناصر IR-عاكسة من منطقة عمل 3D. كما ورد في تعليمات التثبيت، إذا يتم تقييد متاح تتبع الكاميرا الارتفاع المتصاعد، قد يكون بديل التوجه كاميرا الضروري لإنشاء أكبر منطقة عمل 3D.

خلال تكوين تتبع البرمجيات، وخطوة التقاط عصا مهمة للتأكد من دقتها تتبع النهائية. وينبغي توخي الحذر لتحريك عصا ثور عاكسoughly وسلاسة في جميع أنحاء منطقة التداخل الكاميرا تتبع دون عرقلة أي كاميرا أو إدخال أي جسم عاكس الثانوي، وتكرار هذه الخطوة عند الضرورة حتى يتم تحقيق قيم الخطأ المطلوبة. كما لوحظ في الأقسام المذكورة أعلاه، خلال استخدام النظام أنه يمكن أن يكون مهما لخلق درع صغير على نظارات 3D لمنع التدخل من إشارة IR تتبع مع 3D مزامنة إشارة الأشعة تحت الحمراء، واستخدام بطاريات حملق 3D جديدة لتعظيم حملق 3D التزامن. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي الحرص تتفق على عدم لمس أو تغيير حملق 3D وييموت المجالات IR-العاكسة، وعدم تحويل جسديا الكاميرا تتبع أو مناصب عرض 3D من أجل الحفاظ على دقة تتبع 3D والتصوير.

وقد ركزت الجهود السابقة الأخرى على MD في الوقت الحقيقي والتفاعل (على سبيل المثال، عن طريق VMD، شعبية الجزيئية التصور ونماذج البرمجيات لأنظمة الجزيئية البيولوجية 21)، في حين نهج أحدث هكتارلقد نفذت واجهات المستخدم الأخرى وفتة 3D وصوت تسيطر 22. وقد أنشأت مجموعة أخرى 23 برنامج الذي يدمج التكيفية، الخوارزميات الإضافية لتحديث الطاقة الكامنة والقوات بين العناصر داخل النانو. النظام الموصوف في هذا العمل يتضمن هدف معين لأنها تتكون من التصور 3D للمواد النانوية عبر المصدر المفتوح NCK البرمجيات مع التفاعل في بيئة الواقع الافتراضي وMD المحاكاة القدرة عبر LAMMPS فتح شفرة المصدر-12. هذا الرمز يسمح مرونة منذ ومختلف الإمكانات بين العناصر القوية المتاحة لدراسة المواد متناهية الصغر، لأبحاث علوم المواد. وهكذا، فإن النظام في هذا العمل يضم عناصر مماثلة من MD المحاكاة والتفاعل عن بعض الأساليب الأخرى، ولكن مع التركيز على بحوث المواد النانوية.

أهمية نظام التصور 3D / VR الموصوفة هنا هي أنه هو أبسط وأقل تكلفة لإنشاء، وهود أكثر مرونة في استخدامه للمتوسط ​​باحث أو مرب، من بيئات غامرة المتخصصة أكثر تكلفة. إضافة MD القدرة محاكاة تسارع GPU يستفيد من هذه التكنولوجيا الحوسبة تتطور بسرعة لخلق الطاقة والفضاء يحافظ على بيئة الحوسبة عالية الأداء داخل المختبر. هذه الأداة غامرة جديدة إلى جانب قدرات تحليل متقدمة قوية وفعالة للاستخدام في مجالات مثل علوم المواد، وهي مناسبة بشكل فريد للأبحاث النانو والتعليم. وقد تم اختيار هذا النظام الذي سيتم عرضه في سلسلة يونيو 2012 "لدينا الحياة الرقمية" 24 على UCTV (منفذ وسائل الإعلام العامة التي تخدم وأول تديرها الجامعة يوتيوب قناة الأصلية).

على حد سواء البحوث وأداة تعليمية، ونظام التصور 3D / VR مع تسارع القدرة MD يعزز التعاون بين التخصصات وإدماج نهج البحث والتعلم الجديد، بما في ذلك المدرب الموقدلو التدريس والتعلم النشط، وأساليب التعلم متعددة، بما في ذلك استخدام أدلة التفاعلية المتقدمة لنظام 3. وقد أدى تنفيذ نظام التصور 3D / VR في منشورات لاستعراض الأقران، والعديد من العروض المؤتمر، أطروحة الماجستير، وهي جائزة NSF، والتعاون بين التخصصات.

ويمكن أن تشمل تنمية المستقبل المحتملة والتوسع في نظام التصور 3D / VR صفها إضافة أدوات القائمة يحركها داخل واجهة NCK 3D لتسهيل التفاعل المباشر مع برنامج MD (LAMMPS)، في حين تبقى في البيئة الواقع الافتراضي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

تعلن المؤلفين أنه ليس لديهم المصالح المالية المتنافسة.

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