Nieuw 3D / VR interactieve omgeving voor MD simulaties, visualisatie en analyse

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

De toenemende ontwikkeling van de informatica (hardware en software) in de laatste decennia heeft wetenschappelijk onderzoek beïnvloed op vele gebieden, waaronder materiaalkunde, biologie, scheikunde en natuurkunde onder vele anderen. Een nieuwe computationele systeem voor de accurate en snelle simulatie en 3D / VR visualisatie van nanostructuren wordt hier gepresenteerd, met behulp van de open-source moleculaire dynamica (MD) computerprogramma LAMMPS. Deze alternatieve rekenmethode gebruikt moderne grafische processors, NVIDIA CUDA technologie en gespecialiseerde wetenschappelijke codes om verwerkingssnelheid barrières gemeen met de traditionele rekenmethoden te overwinnen. In combinatie met een virtual reality systeem gemodelleerd om materialen, deze uitbreiding kan een extra versnelde MD simulatie vermogen. De motivatie is om een ​​nieuwe onderzoeksomgeving die tegelijkertijd maakt visualisatie, simulatie, modellering en analyse. Het onderzoek doel is om de structuur en eigenschappen van anorganische n onderzoekenanostructures (bijvoorbeeld silica glas nanosprings) onder verschillende omstandigheden met behulp van deze innovatieve computationele systeem. De gepresenteerde werk schetst een beschrijving van de 3D / VR Visualisatie Systeem en basiscomponenten, een overzicht van belangrijke overwegingen zoals de fysieke omgeving, details over de installatie en gebruik van het nieuwe systeem, een algemene procedure voor de versnelde MD enhancement, technische informatie en relevante opmerkingen. De impact van dit werk is de creatie van een uniek computationele systeem combineren nanoschaal materialen simulatie, visualisatie en interactiviteit in een virtuele omgeving, die zowel een onderzoek en onderwijs instrument op UC Merced.

Introduction

Materiaalkunde is een interdisciplinair vakgebied dat de structuur-eigenschap relaties onderzoekt in kwestie voor de toepassing daarvan op vele gebieden van wetenschap en techniek. Als structuur-eigenschap relaties worden onderzocht door middel van computersimulaties in aanvulling op experimenten, computationele hulpmiddelen bieden aanvullende functies die onderzoeksinspanningen kunnen verbeteren. Terwijl nanomaterialen van belang zijn voor wetenschappers en hebben verlossende waarde voor hun mogelijke maatschappelijke impact, dit regime grootte is beladen met vele uitdagingen vinden vooral in experimenten.

Computersimulaties kunnen wetenschappers en ingenieurs om gespecialiseerde tests uit te voeren in een grote verscheidenheid van omgevingen alleen beperkt door tijd en computationele resources. Moleculaire dynamica (MD) simulaties kan de juiste tijd en de lengte schalen om de verschijnselen van belang te onderzoeken in veel nanomaterialen. Simulaties uit te breiden het onderzoek van materialen door het verwijderen van de beperkingen van de tHij fysieke laboratorium, maar veel computationele hulpmiddelen ontbreekt toegankelijk, intuïtieve interfaces voor onderzoek. Enhancement met de grafische weergave van de modellen, efficiënte computationele algoritmen, en grafische verwerkingseenheid (GPU) based computing aanvulling van de huidige simulatie inspanningen. Deze nieuwe grafische toestellen combineren met centrale verwerkingseenheden efficiënt om wiskundig intensieve berekeningen worden uitgevoerd door de GPU. Het resultaat is een efficiënte versnelling van berekening in de orde van 10x gepaard met een vermindering van het energieverbruik tot 20x.

Het doel van dit onderzoek was het ontwikkelen en implementeren van een nieuw instrument voor nanowetenschap onderzoek dat rechtstreeks verbindt een interactieve interface om MD simulaties, materiaalkunde analyse en 3D-visualisatie. Dit innovatieve systeem met unieke en krachtige analysemogelijkheden is gebruikt voor nanoschaal onderzoek en onderwijs aan de UC Merced, met rechtstreekse gevolgen voor andere rel ated STEM gebieden zoals nanotechnologie, natuurkunde, biologie en geologie, en het uiteindelijke voordeel voor het onderwijs en de samenleving.

De 3D / VR Visualisatie Systeem werd geïmplementeerd als zowel een onderzoek en onderwijs instrument dat creatie en manipulatie van atomaire structuren in een interactieve 3D virtual reality (VR) omgeving stelt. Het systeem is ontstaan ​​uit een reeks van relatief goedkope en toegankelijke onderdelen volgens het model oorspronkelijk ontwikkeld door Dr. Oliver Kreylos bij UC Davis 1.

Hieronder is een foto van het uiteindelijke 3D / VR Visualisatie Systeem lay-out, met belangrijke componenten gelabeld (Figuur 1). Dit systeem werd oorspronkelijk opgericht voor educatieve doeleinden op UC Merced in 2009. De uitvoering van de oorspronkelijke 3D / VR-systeem resulteerde in peer-reviewed publicaties 2-3. Tabel 1 hieronder geeft een overzicht van de belangrijkste kenmerken voor elk element van de 3D ​​/ VR Visualisatie Systeem.

ntent "fo: keep-together.within-page =" always "> Figuur 1
Figuur 1. 3D / VR Visualisatie Systeem en de belangrijkste componenten (links) in het Davila Research Laboratory van UCM en visualisatie-apparaten (rechts). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Item Bestanddeel Functionaliteit in Systeem
Een 3D TV 3D-weergave van gemodelleerde moleculaire structuren en on-screen menu's.
B Infrarood (IR) volgend camera 4 IR camera spoor posities van de Wiimote en het kijken naar 3D bril in het user workspace voor 3D-televisie, waardoor virTual 3D manipulatie van weergegeven structuren.
C Tracking PC Loopt IR camera tracking software en stuurt Wiimote en 3D goggle posities te modelleren computer.
D Wiimote Gebruikt voor het on-screen beheer van modeling software en om structuren te manipuleren in 3D virtuele omgeving.
E 3D bril 5 Gesynchroniseerd met 3D TV IR-signaal, zodat de 3D-weergave van de structuur. Positie gevolgd door IR camera voor nauwkeurige 3D-weergave.
F Modellering PC Loopt NCK / VRUI 3D-modellering en weergave software 6, aanvaardt goggle / Wiimote positie en stuursignalen om nauwkeurige 3D moleculaire structuur weergave maken.

Tabel 1. Functionaliteit van de belangrijkste elementen van de 3D ​​/ VR Visualisatie Systeem bij UCM.

Description van 3D / VR Visualisatie Systeem en basiscomponenten:

3D / VR Visualisatie Systeem Overzicht - De 3D / VR Visualisatie Systeem bestaat uit een set van IR camera's en tracking software werkt in combinatie met 3D modeling software waarmee een gebruiker interactief 3D-moleculaire structuren. De IR-camera's en software volgen de 3D-locatie van een Wiimote en 3D-weergave bril met IR-markers, en geven deze aan de modeling software. De modeling software maakt gebruik van de Wiimote stuursignalen en beweging naar 3D moleculaire structuren te genereren kan worden weergegeven met de combinatie van een 3D-capable grootformaat televisie met gesynchroniseerde en bijgehouden 3D bril. Dit resulteert in een 3D virtual reality werkgebied waarbinnen de gebruiker dynamisch maken en manipuleren virtuele moleculaire structuren die echte fysieke gedrag weergeven op basis van interatomaire krachten die in het model software (figuur 2). Speciale Considerations voor het opzetten van dit systeem is te vinden in aanvullende materialen.

Figuur 2
Figuur 2. Het onderzoeken van silica nanomaterialen gebruik van de 3D ​​/ VR Visualisatie Systeem. (A) Een onderzoeker creëert een initieel cristobalite model (kristallijne) voordat GPU-gebaseerde simulaties. (B) Bij het ​​uitvoeren van een gesimuleerde MD smelt-demping procedure van het model getoond in (a), een andere onderzoeker krijgt een silica glas model (niet-kristallijne). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

3D / VR Visualisatie System Enhancement - MD Simulatie Capability:

Moleculaire dynamica simulatie systemen worden vaak in een geïmplementeerdmeerdere knooppunten mode, dat wil zeggen een grote belasting wordt verdeeld of geparalleliseerd over tientallen tot duizenden processors. Onlangs, extra mogelijkheden voor versnelde wetenschappelijke berekeningen zijn ontstaan ​​uit de ontwikkelingen in computer graphics processing. Deze voorschotten zijn een software-interface waarmee wetenschappers om te profiteren van de sterk parallelle aard van de verwerkingskracht intrinsiek aan grafische chips. Met de komst van de Compute Unified Device Architecture of CUDA 7, kunnen wetenschappers GPU 8 om de snelheid waarmee problemen worden opgelost en tegelijkertijd de kosten van infrastructuur te stimuleren. Een typische GPU kan het equivalent van honderden tot duizenden kernen of "nodes" voor de verwerking van informatie, en deze kunnen elk parallel worden gebruikt, kan een goed gecodeerd oplossing bieden tot doorvoer versnelling tegen de meeraderige tegenhanger 1000x . Hoewel niet elk probleem is zeer geschikt voor deze aanpak, zijn huidige MD simulaties up zien tot 15x doorvoercapaciteit krijgt 9. Details over de 3D / VR visualisatie systeem MD-GPU verbetering is te vinden in aanvullende materialen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Installeer 3D / VR Modeling software op Modeling PC

  1. Installeer LINUX basis-besturingssysteem op het modelleren van PC (Ubuntu x86 / AMD64 afhankelijk van de hardware).
  2. Wijzigen LINUX basis-besturingssysteem.
    1. Installeer bibliotheken en functionaliteit toe te voegen als dat nodig is.
  3. Installeer VRUI en NCK 3D / VR modeling software op Modeling PC 6.
    1. Controleer gerelateerde websites 1,6 naar de nieuwste versies van alle modeling software componenten te verkrijgen.
    2. Compileren, configureren en testen VRUI.
    3. Installeren en testen NCK.

2. Set Up Tracking System 1

  1. Mount IR Tracking Camera's 4
    1. Maak een stijve camera hangraam direct boven de voorste rand van de 3D-tv in de buurt van het plafond voor de beste dekking. Mount 3 camera's op draaibare mounts direct boven de voorste hoeken en de voorkant van het 3D-TV. Ervoor dat de dekking hoek van elke camera gewoon grazes de voorzijde van de TV.
    2. Richt de camera op de meest brede hoek (45 graden) evenwijdig aan de voorwand van de 3D TV hebben. Gebruik een smaller bereik hoek (30 graden) loodrecht op de voorzijde van de 3D TV. Zorgen voor maximale overlap binnen het gewenste 3D-werkruimte. Zorg objecten gezien ten minste twee camera's met succes worden gevolgd (figuur 3).
      Figuur 3
      Figuur 3. IR bijhouden camera dekking voor 3D-werkruimte te maximaliseren voor de televisie. Parts (A) en (B) laten voor- en zijaanzicht met betrekking tot de 3D ​​/ VR Visualisatie Systeem. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken .
  2. Experimenteren met alternatieve camera plaatsing indien nodig om een ​​voldoende te creëren3D-werkruimte. Dit kan nodig zijn als de verticale camera montageafstand wordt beperkt.
  3. Installeren en te kalibreren Tracking Software
    1. Installeer de OptiTrack Rigid Body Toolkit op het bijhouden van de computer met de meegeleverde installatiehandleiding.
    2. Set Drempel, Blootstelling, verlichtingssterkte afhankelijk van omgeving en stel de Capture Quality te hoog, zoals beschreven in de tracking software-instructies.
    3. Voor de Wand Capture, wees voorzichtig om alle andere reflecterend materiaal uit de 3D-werkruimte te verwijderen. Bewegen soepel hele camera overlap werkruimte met de reflecterende wand. Herhaal dit tot standaard en betekenen onderstaande fouten "0.5" worden verkregen sla het kalibratie-bestand.
    4. Stel het grondvlak te stellen een getraceerd 3D werkgebied assenstelsel oorsprong. Definieer de Wiimote en de 3D-bril bijgehouden objecten zoals beschreven in de tracking software-instructies.
  4. Compleet VRUI kalibratie
    1. Stel VRUI te trackin acceptereng informatie uit het bijhouden van de computer.
    2. Controleer of het bijhouden van functionaliteit in VRUI behulp DeviceTest kalibratie nut.
    3. Lijn VRUI 3D-weergave en tracking software systemen te coördineren.
    4. Stel oriëntatie van bijgehouden Wiimote en 3D bril met AlignTrackingMarkers alignment software.

3. Bereid 3D Modeling systeem voor gebruik

  1. Voordat u begint, verwijder alle reflecterende sieraden (dat wil zeggen, horloges, oorbellen, metalen, enz.). Heeft corrigerende bril nodig om zich te concentreren op het scherm niet verwijderen.
  2. Monteer de apparatuur voor de 3D / VR Visualisatie Systeem:
    1. Modellering computer
    2. Tracking computer
    3. Grootformaat 3D-geschikte TV
    4. Videokabel tussen modellering computer en 3D TV
    5. 3D infraroodzender voor 3D TV
    6. Ethernet-kabels voor het modelleren en het bijhouden van computers
    7. Wiimote met het volgen van geweien (controller)
    8. 3D bril met het volgen van geweien (3D bril) 5
  3. Plaats controller waar het gemakkelijk kan worden bereikt van modellering computer, zorg niet aan te raken of te verplaatsen van de bolvormige IR volgen markers gehecht aan het zorgvuldig.
  4. Plaats voorzichtig 3D bril op de TV-standaard (zoals voorheen, moet u om te voorkomen dat het aanraken van de reflecterende markers).
  5. Sluit de drie USB-kabels van de IR-camera's boven de 3D-tv tot 3 USB-poorten op de tracking computer gemonteerd, terwijl het is uitgeschakeld.
  6. Zoek de 3D TV afstandsbediening en plaats het in de voorkant van 3D-TV.
  7. Sluit de video-kabel aan op de videokaart op de modellering computer en de video-ingang van de 3D TV. Sluit ook de 3D infraroodzender voor de 3D synchroniseren van uitvoer van de 3D-tv, en plaats zender op tv staan ​​in de buurt zijkant van de TV, die omhoog wijst in de richting waar de bril zal worden gebruikt. Wees zeer voorzichtig NIET om de positie van de gekalibreerde tv verschuiven.
  8. Schakel 3D TV ON, voordat u op de modellering computer enervoor dat de juiste erkenning door de computer.
  9. Schakel op het modelleren van de computer. Na het modelleren computer opstart om een ​​login prompt, log dan in op het modelleren computer LINUX systeem om een ​​passende wijze rekening.
  10. Zodra de desktop modelleren computer beschikbaar is, gebruik maken van de 3D-TV-afstandsbediening om de status van de video-kabelverbinding door op de "info i /" knop te controleren. Zorg ervoor dat de tv-scherm "1920x1080 @ 60Hz" in de linker bovenhoek. Zo niet, herstart de modellering computer om de juiste erkenning van de 3D-tv te vestigen. Ook zeker TV in 3D output mode 2, met behulp van de setup-menu's afstandsbediening.
  11. Op het modelleren computer desktop, opent een terminal venster met meerdere tabbladen.
  12. Op de tracking computer, controleert u de ethernet adapter IP-adres door te typen "ipconfig" in een commando-venster.
  13. Op het modelleren computer, opent u een terminal tabblad raam en kijk in het bestand VRDevices.cfg dat de "serverName" definieertde tracking computer ethernet adapter IP-adres.
  14. Indien nodig, verandert de "serverName" IP-adres in VRDevices.cfg om de tracking computer ethernet adapter overeenkomen, en sla VRDevices.cfg.
  15. Op de tracking computer, inleiding van de OptiTrack Rigid Body Tool.
  16. Laat de software volledig te openen, klik op de grote knop in de buurt van de top menu label "Load Calibration Resultaat".
  17. Blader naar en open de juiste camera-kalibratie-bestand.
  18. Nadat het bestand is geladen, klikt u in het menu "Bestand" en selecteer "Load star lichaam definities".
  19. Blader naar en open de juiste star lichaam definitie bestand voor de bijgehouden controller en 3D-bril.
  20. Op de meest rechtse ruit van de tracking-software, zoek de sectie met het label "Streaming", vouw het gedeelte onder de categorie "VRPN Streaming", controleer dan of het poortnummer vermeld is 3883, controleer dan de "Bredeframe data "doos in de" cast categorie VRPN Streaming Engine ".
  21. Bij de modellering computer, zorg ervoor dat de controller ofwel direct in de hand of onmiddellijk bereikbaar (2 sec weg bij de meeste).
  22. Op het modelleren computer, verschijnt een tabblad in het terminal-venster eerder in deze sessie gemaakt en navigeer naar en dan starten de VRDeviceDaemon software, bijvoorbeeld het intikken van "./VRDeviceDaemon".
  23. Volg de prompt om Als de activiteit succesvol was, wordt het venster nu weer "drukknopen 1 & 2 op de Wiimote tegelijk." "VRDeviceServer: Wachten op client-verbinding".

4. Test 3D / VR visualisatie systeem met behulp van NCK Software

De volgende reeks instructies schetst hoe de NCK software on-screen menu's gebruiken om controller hulpmiddel functies vast te stellen, en vervolgens hoe te bouwen en te manipuleren een carbon nanotuin de 3D ​​/ VR werkruimte samenstellende koolstofatomen (figuur 4). Instructies over hoe de resulterende band hoeken en afstanden (stap 4.4.10) te meten zijn online 10 beschikbaar.

Figuur 4
Figuur 4. Undergraduate student met behulp van de 3D ​​/ VR Visualisatie Systeem om koolstof nanobuisjes te bestuderen (CNT) Foto's (A) -.. (F) tonen het bouwproces van een enkelwandige CNT Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken .

  1. Binnen het modelleren computer terminal venster gemaakt in stap 3.11, selecteert u het derde tabblad. Om het NCK-software te starten, gaat u naar de NCK installatie map en typ:
    "./NanotechConstructionKit -rootSection localhost -domainsize 36 ".
  2. Zeer voorzichtig niet aan te raken of los te maken van de bijgevoegde volgen markers, op 3D-bril en pak de controller. Pas hoofd / goggle kijkpositie naar 3D brillen zorgen ontvangt 3D TV infraroodzender sync-signaal, waardoor 3D / VR bekijken van tv-scherm.
  3. Om een ​​toolset om NCK commando verenigingen toe te voegen, te verplaatsen en verwijderen van atomen, toewijzen aan knoppen op de controller als volgt hebben:
    1. Het hoofdmenu NCK on-screen menu door te drukken en de Home-knop ingedrukt te houden op de Wiimote, het navigeren naar en het selecteren van de "Override Tools" menu-item, dan is het loslaten van de Home-knop. Dit maakt overdracht van commando's om verschillende toetsen op de controller onafhankelijk van elkaar.
    2. Om de Wiimote trigger-knop (op de onderkant van de controller) associëren met de werking van het manipuleren van atomen binnen NCK, druk en houd de trigger knop, navigeert het NCK-menu op het scherm om & #8220; Dragger "en selecteer" 6-DOF Dragger, "dan is de schakelaar los. De trekker is nu gekoppeld aan de werking van het manipuleren van de atomen.
    3. Om de functie van het toevoegen van een atoom op de "+" knop op de Wiimote te wijzen, breng het hoofdmenu weer door te drukken en de Home-knop ingedrukt te houden, ga naar "structurele eenheid types", en selecteer "Driehoek", dan is de Home-knop loslaat .
    4. Volgende houdt u de knop "+", ga naar "Dragger," en selecteer "6-DOF Dragger," dan is de "+" knop loslaat. De knop "+" is nu gekoppeld met het creëren van nieuwe atomen van het geselecteerde type (koolstofatomen weergegeven door driehoeken, in dit geval).
    5. "-" Om de functie van het verwijderen van een atoom aan het toekennen knop op de Wiimote, brengen het hoofdmenu door te drukken en de "Home" knop ingedrukt houdt, dan ga naar "Structurele eenheid," en selecteer & #8220; Delete gekozen eenheden, "dan is de Home-knop loslaat.
    6. Vervolgens houdt u de "-" knop, ga naar "Dragger," en vervolgens "6-DOF Dragger," en laat de "-" knop. De "-" knop wordt nu geassocieerd met het verwijderen van atomen.
    7. Volg een soortgelijke procedure om de functies van "Lock Selected Units" toewijzen aan de "1" Wiimote knop, en "Unlock gekozen eenheden" naar de "2" controller knop.
  4. Zodra de controller knoppen zijn geconfigureerd, maak een koolstof nanobuis behulp NCK als volgt:
    1. Met behulp van de knop "+", voeg twee 3-band driehoekige koolstofatomen aan het NCK werkruimte. Manipuleren deze met behulp van de trigger knop totdat ze lid worden bij een hoekpunt.
    2. Voeg 4 koolstofatomen een zeshoekige ster vorm.
    3. Met het menu "Home", ga naar "I / O's" en vervolgens op "Save Units.
    4. Beweeg de 6 puntige structuur uit de buurt van de huidige positie.
    5. Met het menu "Home", ga naar "I / O's" en vervolgens op "Load Units.
    6. Herhaal de laatste 2 stappen tot een 6 bij 6 vel zeshoekige 6-atoom ringen is gemaakt (Figuur 5A).
    7. Met behulp van de "1" toets, te vergrendelen één atoom in de bovenste rij, en een tegengestelde atoom in de onderste rij. De vergrendelde atomen zal worden gemarkeerd met een roze kleur (Figuur 5B).
    8. Met behulp van de trigger knop, voorzichtig bewegen een van de opgesloten atomen in een cirkelvormige boog tot zijn vrije hoekpunt zal de vrije hoekpunt van de tegengestelde vergrendelde atoom. Een groene lijn zal verschijnen tussen de hoekpunten als ze dicht genoeg dat atomaire aantrekkingskracht zal hen om mee te doen met een band (figuur 5C). Eenmaal met succes toegetreden, ontgrendelen zowel van de atomen met behulp van de "2" te drukken.
    9. Doorgaan op dezelfde vergrendeling, de toetreding, en het ontsluiten van tegengestelde atomaire vergedragingen in de carbon plaat, effectief "zippen" het vel in een laatste koolstof nanobuis (figuren 5D-5F).
      Figuur 5
      Figuur 5. Stapsgewijs creatie van een enkelwandige CNT tonen (A) een 6 x 6 vel (grafeen) van hexagonaal koolstof ringen, (B) tegengestelde koolstofatomen "geblokkeerd" (weergegeven als roze driehoeken) om gemakkelijker manipulatie tegen toestaan realistische interatomaire krachten, (C) koolstof (grafeen) document nauwgezet gekromd binding tussen atomen staan ​​tegenover elkaar, (D) twee bijkomende tegenover koolstofatomen vergrendeld verder koolstofvel kromming bijstaan ​​(E) andere, tegengestelde koolstofatomen gebonden blijven koolstof sheet kromming in een nanobuis, en (F) definitief CNT gevormd na opeenvolgende binding tegenoverliggende atomen van de oorspArbon vel (grafeen). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
    10. Wanneer de nanobuis is voltooid, gebruikt u op het scherm meetinstrumenten om structurele hoeken en afstanden 10 bevestigen.

5. Visualisatie van moleculaire dynamica simulatie modellen

  1. Een eerste kristallijne SiO 2 kubusvormige model te importeren in de 3D ​​/ VR NCK-software, en onderzoeken de initiële structuur (zie figuur 2A).
  2. Open-source programma's MDCASK 11 en LAMMPS 12 waren gericht vanwege functies die zijn zeer geschikt om dit onderzoek te richten. Dit laatste programma wordt gebruikt in dit werk, gezien de gevarieerde interatomaire potentialen en GPU computing mogelijkheden. Met behulp van de LAMMPS MD pakket 12, lopen een gesimuleerde smelt / lessen procedure op deze eerste structuur aan een amorfe SiO 2 st produceren ructure. Details van deze gesimuleerde procedure is te vinden in eerdere publicaties 13-15.
  3. Importeer de daaruit voortvloeiende nieuwe amorfe (ongeordende) SiO 2-model in de 3D ​​/ VR NCK software en onderzoeken de structuur (zie figuur 2B).
  4. Maak een SiO 2 nanospring / nanoribbon uit de nieuwe amorfe vaste stof met behulp van de open source-code NanospringCarver 16 en bijbehorende instructie documentatie 17 (figuur 6). Figuur 6
    Figuur 6. Illustratie van het atoom selectieproces op verschillende stadia in de vorming van een nanospring met het NanospringCarver programmastap stap Parts. (A - D) geven 25%, 50%, 75% en 100% voltooiing van dit proces 17.target = "_ blank"> Klik hier om een ​​grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
  5. Gebruik de LAMMPS MD pakket trek- simulaties op nanospring / nanoribbon (figuur 7). Details over deze procedure is te vinden in een eerdere publicatie 15.
    Figuur 7
    Figuur 7. Snapshot afbeelding uit LAMMPS MD silica spiraalvormige nanostructuur (nanoribbon) treksterkte simulatieresultaten.
  6. Gebruik maken van de open source software tools VMD (Visualiseer Molecular Dynamics) 18 ImageMagick 19, en FFmpeg 20 tot snapshots en animatie van de spiraalvormige nanostructuur te creëren in deze simulatie (Animated figuur 1), voor de presentatie in de 3D ​​/ VR Visualisatie Systeem. Klik hier naar een grotere v bekijkenersie van dit cijfer.

Geanimeerde figuur 1 . Animatie van spiraalvormige nanostructuur treksterkte simulatie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Deze 3D / VR Visualisatie Systeem biedt nieuwe mogelijkheden voor het uitvoeren van de materiaalkunde studies. Aangezien dit immersieve omgeving werkt in real-time, in de vorm van 3D-input en weergave, de onderzoeker wordt gepresenteerd met een volledig interactieve nanometerschaal instrument 2. Door het volgen van het protocol hier gepresenteerde werd een silica schroeflijnvormige nanoribbon die in deze stap voor stap manier. Een momentopname van deze structuur geproduceerd LAMMPS MD wordt getoond in figuur 7. Deze structuur werd onderworpen aan gesimuleerde trektesten en de resultaten van deze simulatie zijn weergegeven in geanimeerde figuur 1 dat de sanering en het falen van de structuur illustreert onder trekkrachten.

Door het combineren van de real-time interactiviteit en visuele karakter van een immersieve omgeving met krachtige MD simulaties 15, onderzoekers kunnen profiteren van de intuïtieve bediening en full-featured analyse.

The verbeterde 3D ​​/ VR Visualisatie Systeem met MD mogelijkheid werd grondig getest en in nanowetenschap onderzoek geïmplementeerd in de Davila Lab aan UC Merced, gericht op treksterkte simulaties van amorf silicium nanodraden, nanoribbons en nanosprings 15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kritische elementen in de succesvolle installatie en het gebruik van de 3D ​​/ VR Visualisatie Systeem worden gedetailleerd beschreven in de fysieke omgeving en de Overwegingen van het Ontwerp en bijzondere overwegingen in aanvullende materialen. Belangrijke overwegingen bij installatie onder andere 3D-weergave hoogte voor comfortabel langdurig staand of zittend gebruik, gemaximaliseerd bijhouden camera gemonteerd hoogte om een ​​grote 3D-werkgebied, stabiele bijhouden camera en 3D-weergave ondersteuning aan de configuratie in de tijd te behouden, en het verwijderen van IR-reflecterende elementen maken uit de 3D-werkgebied. Zoals vermeld in de installatie-instructies, indien de beschikbare bijhouden camera inbouwhoogte beperkt is, alternatieve camera oriëntatie kan nodig zijn om de grootste 3D-werkgebied te creëren.

Tijdens de configuratie van de software voor het bijhouden, de staf capture stap is belangrijk voor de uiteindelijke nauwkeurige tracking. Zorg moet worden genomen om de reflecterende wand Thor verplaatsenvoerig en soepel gedurende de tracking camera overlap gebied zonder camera te blokkeren of het introduceren van enige secundaire reflecterend object, deze stap te herhalen als nodig is tot de gewenste fout waarden worden bereikt. Zoals in de bovengenoemde secties, tijdens systeemgebruik het belangrijk kan zijn om een ​​kleine schild op de 3D bril voor storing door het volgen IR signaal met de 3D synchroniseren IR signaal niet te creëren en nieuwe 3D bril batterijen het maximaliseren goggle 3D-synchronisatie. Bovendien moet een structurele zorg worden genomen om niet aanraken of de 3D-bril en de Wiimote IR-reflecterende bolletjes, te wijzigen en niet fysiek verschuiven de tracking camera of 3D-weergave posities om nauwkeurige 3D-tracking en beeldvorming te behouden.

Andere eerdere inspanningen zijn gericht op het MD en real-time interactiviteit (bijvoorbeeld via VMD, een populaire moleculaire visualisatie en modellering software voor biomoleculaire systemen 21) terwijl de nieuwere benaderingen have geïmplementeerd andere gebruikersinterfaces en 3D-gebaar en stem bestuurt 22. Een andere groep 23 heeft gecreëerd software die adaptieve, incrementele algoritmes integreert om de potentiële energie en interatomaire krachten binnen nanosystemen te werken. De in dit werk beschreven systeem omvat een bepaald doel als het bestaat uit 3D-visualisatie van nanomaterialen via het open-source NCK software 6, met interactiviteit in een virtual reality omgeving en MD simulaties mogelijkheid via de LAMMPS open-source code 12. Deze code biedt flexibiliteit, omdat diverse robuuste interatomaire potentialen zijn beschikbaar om nanomaterialen te bestuderen, voor materiaalkunde onderzoek. Zo is het systeem in dit werk omvat soortgelijke elementen van MD simulatie en interactiviteit als sommige andere benaderingen, maar met een focus op nanoschaal materiaalonderzoek.

De betekenis van de 3D / VR Visualisatiesysteem beschreven is dat het eenvoudiger en goedkopere te zetten, eend flexibeler te gebruiken voor de gemiddelde onderzoeker of onderwijzer, dan duurdere gespecialiseerde meeslepende omgevingen. De toevoeging van GPU-versnelde MD simulatie vermogen maakt gebruik van deze snel evoluerende computing-technologie om een ​​energie en ruimte behoudend, high-performance computing-omgeving binnen het laboratorium te creëren. Deze roman meeslepende hulpmiddel in combinatie met geavanceerde analysemogelijkheden is krachtig en efficiënt voor gebruik in gebieden zoals materiaalkunde, en is bij uitstek geschikt voor de nanoschaal onderzoek en onderwijs. Dit systeem werd geselecteerd om te worden tentoongesteld in de juni 2012-serie "Onze Digital Life" 24 op UCTV (een publiek-serving media outlet en de eerste-universiteit lopen YouTube oorspronkelijke kanaal).

Als zowel een onderzoeks- en educatief hulpmiddel, de 3D / VR Visualisatie Systeem met versnelde MD vermogen bevordert interdisciplinaire samenwerking en de integratie van onderzoek en nieuwe leermethoden, waaronder coach-style onderwijs, actief leren en meerdere leerstijlen, waaronder het gebruik van interactieve handboeken ontwikkeld voor het systeem 3. De uitvoering van de 3D / VR Visualisatie Systeem heeft geresulteerd in peer-reviewed publicaties, diverse presentaties op conferenties, een masterscriptie, een NSF award, en interdisciplinaire samenwerking.

Potentiële ontwikkeling en uitbreiding van de beschreven 3D / VR Visualisatie Systeem toekomst zou de toevoeging van menugestuurde gereedschappen in de NCK 3D-interface bevatten om directe interactie met de MD-programma (LAMMPS) te vergemakkelijken, terwijl die nog in de virtual reality omgeving.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen.

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