Novel 3D / VR interaktivt miljø for MD simuleringer, visualisering og 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!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

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

Den stigende udvikling af computing (hardware og software) inden for de sidste årtier har påvirket videnskabelig forskning på mange områder, herunder materialevidenskab, biologi, kemi og fysik blandt mange andre. Et nyt beregningsmæssige system til præcis og hurtig simulering og 3D / VR visualisering af nanostrukturer præsenteres her, ved hjælp af open source-molekylær dynamik (MD) computerprogram LAMMPS. Denne alternative beregningsmetode anvender moderne grafikprocessorer, NVIDIA CUDA teknologi og specialiserede videnskabelige koder til at overvinde processorhastighed barrierer er fælles for de traditionelle computing metoder. I forbindelse med en virtuel virkelighed, der anvendes til at modellere materialer, denne forbedring giver tilføjelsen af ​​accelereret MD simulering kapacitet. Motivationen er at tilvejebringe et nyt forskningsmiljø, der samtidig giver mulighed for visualisering, simulering, modellering og analyse. Forskningen mål er at undersøge strukturen og egenskaberne af uorganisk nanostructures (fx silica glas nanosprings) under forskellige betingelser ved anvendelse af denne innovative beregningsmæssige system. Arbejdet præsenteret skitserer en beskrivelse af 3D / VR Visualisering System og grundlæggende komponenter, en oversigt over vigtige overvejelser såsom det fysiske miljø, oplysninger om opsætning og brug af det nye system, en generel procedure for fremskyndet MD ekstraudstyr, tekniske oplysninger og relevante bemærkninger. Virkningen af ​​dette arbejde er at skabe et unikt beregningsmæssige system, der kombinerer nanoskala materialer simulering, visualisering og interaktivitet i et virtuelt miljø, som både er en forskning og undervisning instrument på UC Merced.

Introduction

Materialer videnskab er et tværfagligt felt, der undersøger struktur og egenskaber i anliggende for deres anvendelse på mange områder inden for videnskab og teknik. Som struktur og egenskaber undersøges gennem computersimuleringer ud over eksperimenter, beregningsværktøjer tilbyde komplementære funktioner, der kan forbedre forskningsindsatsen. Mens nanomaterialer er af interesse for forskere og har forløsende værdi for deres potentielle sociale konsekvenser, denne størrelse regime er fyldt med mange udfordringer findes især i eksperimenter.

Computersimuleringer tillade forskere og ingeniører til at udføre specialiserede tests i en lang række forskellige miljøer kun begrænset af tid og it-ressourcer. Molekylære dynamik (MD) simuleringer give et passende tidspunkt og længde skalaer at studere fænomenet interesse i mange nanomaterialer. Simuleringer udvide undersøgelse af materialer ved at fjerne de begrænsninger af than fysisk laboratorium dog mange beregningsværktøjer mangler tilgængelige, intuitive grænseflader til forskning. Enhancement med grafisk visning af modeller, effektive beregningsmæssige algoritmer, og grafiske behandlingsenhed (GPU) baseret computing supplerer nuværende simulation indsats. Disse nye grafik enheder kombinere med centralenheder effektivt at tillade matematisk intensive beregninger, der skal opfyldes af GPU. Resultatet er en effektiv acceleration af beregning af størrelsesordenen 10x ledsaget af en reduktion i strømforbrug på op til 20x.

Målet med dette forskningsprojekt er at udvikle og implementere et nyt værktøj til nanoscience undersøgelse, der direkte forbinder en interaktiv grænseflade til MD simuleringer, materialevidenskab analyse og 3D-visualisering. Dette innovative system med unikke og kraftfulde analyse kapaciteter er blevet brugt til nanoskala forskning og uddannelse på UC Merced, med direkte konsekvenser for andre rel ated STEM områder som nanoteknologi, fysik, biologi og geologi, og ultimativ fordel for uddannelse og samfund.

3D / VR Visualisering system blev gennemført både som forskning og undervisning instrument, der tillader oprettelse og manipulation af atomare strukturer i en interaktiv 3D virtual reality (VR) miljø. Systemet blev skabt af et sæt relativt billige og tilgængelige komponenter efter model oprindeligt udviklet af Dr. Oliver Kreylos på UC Davis 1.

Nedenfor er et billede af det endelige 3D / VR Visualisering System layout, med vigtige komponenter mærket (Figur 1). Dette system blev oprindeligt etableret med henblik på uddannelse på UC Merced i 2009. Gennemførelsen af den oprindelige 3D / VR-system resulterede i fagfællebedømte publikationer 2-3. Tabel 1 nedenfor opsummerer de vigtigste karakteristika for hvert element i 3D / VR Visualisering System.

ntent "FO: keep-together.within-side =" altid "> Figur 1
Figur 1. 3D / VR Visualisering System og hovedkomponenter (til venstre) i Davila Research Laboratory på UCM og visualisering enheder (til højre). Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Vare Komponent Funktionalitet i System
A 3D-TV 3D-visning af modellerede molekylære strukturer og menuer på skærmen.
B Infrarød (IR) sporing kameraer 4 IR kameraer track positioner Wiimote og 3D-visning beskyttelsesbriller brugeren arbejdsområdet foran 3D-tv, giver virtuelle 3D manipulation af viste strukturer.
C Sporing PC Kører IR kamera tracking software og overfører Wiimote og 3D goggle holdninger modellering computer.
D Wiimote Bruges til styring på skærmen af ​​modellering software og til at manipulere strukturer i 3D virtuelle miljø.
E 3D briller 5 Synkroniseret med 3D-TV IR-signal, tillader 3D-visning af strukturen. Position spores af IR kameraer til nøjagtig 3D-visning.
F Modeling PC Kører NCK / VRUI 3D-modellering og display software 6, accepterer goggle / Wiimote position og styresignaler til at skabe præcis 3D molekylstruktur visning.

Tabel 1. Funktionalitet af hovedelementerne i 3D / VR Visualisering System på UCM.

Description af 3D / VR Visualisering System og grundlæggende komponenter:

3D / VR Visualisering Systemoversigt - 3D / VR Visualisering system består af et sæt IR kameraer og tracking software arbejder sammen med 3D-modellering software til at tillade en bruger at interaktivt skabe 3D molekylære strukturer. IR kameraer og software spore 3D placeringen af ​​en Wiimote og 3D-visning briller ved hjælp af IR-markører, og videregive dette til modellering software. Modelleringen software bruger Wiimote styresignaler og bevægelse til at generere 3D molekylære strukturer kan ses ved hjælp af en kombination af et 3D-kompatibelt storformat tv med synkroniserede og sporede 3D briller. Dette resulterer i et 3D virtual reality arbejdsområde, inden for hvilken brugeren dynamisk kan oprette og manipulere virtuelle molekylære strukturer, der afspejler den virkelige verden fysiske adfærd baseret på inter-atomare kræfter, der anvendes i modellering software (figur 2). Særlige considerations til oprettelse af dette system kan findes i supplerende materiale.

Figur 2
Figur 2. Undersøgelse silica nanomaterialer ved hjælp af 3D / VR Visualisering System. (A) En forsker skaber en indledende kristobalit model (krystallinsk) før GPU-baserede simuleringer. (B) Ved at udføre en simuleret MD smelte-quench procedure på modellen i (a), en anden forsker opnår en silica glas model (ikke-krystallinsk). Klik her for at se en større udgave af dette tal.

3D / VR Visualisering System Enhancement - MD Simulation Capability:

Molekylære dynamik simuleringssystemer er almindeligt implementeret i enmulti-nodal måde, det er, er en stor arbejdsbyrde distribueres eller paralleliseret blandt ti til tusinder af processorer. For nylig har yderligere muligheder for fremskyndet scientific computing opstået ud af udviklingen i computergrafik forarbejdning. Disse fremskridt omfatter en software interface giver forskerne at udnytte den meget parallel karakter processorkraft iboende grafik-chips. Med fremkomsten af Compute Unified Device Architecture eller CUDA 7, kan forskerne bruge GPU'er 8 at øge den hastighed, hvormed problemer løses samtidig reducere omkostningerne til infrastrukturen. En typisk GPU kan have hvad der svarer til hundredvis til tusindvis af kerner eller "knudepunkter" til behandling af oplysninger, og da disse kan hver anvendes parallelt, kan et godt kodet løsning give op til 1.000 x gennemløb acceleration mod dets multi-core modstykke . Selvom ikke alle problemer er velegnet til denne fremgangsmåde, har de nuværende MD simuleringer set op til 15x throughput ydeevne gevinster 9. Nærmere oplysninger om 3D / VR visualisering systemet MD-GPU ekstraudstyr kan findes i supplerende materiale.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Installer 3D / VR Modeling Software på Modeling PC

  1. Installere Linux basisstyresystemet på modellering PC (Ubuntu x86 / AMD64 afhængig hardware).
  2. Ændre LINUX basisstyresystemet.
    1. Installer biblioteker og tilføje funktionalitet efter behov.
  3. Installer VRUI og NCK 3D / VR modellering software på Modeling pc 6.
    1. Check relaterede hjemmesider 1,6 for at få nyeste versioner af alle modellering softwarekomponenter.
    2. Opstille, konfigurere og teste VRUI.
    3. Installer og test NCK.

2. Opsætning Tracking System 1

  1. Mount IR Tracking kameraer 4
    1. Lav en stiv kamera suspension ramme direkte over den forreste kant af 3D-tv i nærheden af ​​loftet for bedste dækning. Mount 3 kameraer på drejelig mounts direkte over de forreste hjørner og midt foran på 3D-TV. Sørg for, at dækningen vinkel hvert kamera bare grazes den forreste overflade af fjernsynet.
    2. Ret kameraer har det bredeste dækning vinkel (45 grader) parallelt med forsiden af ​​3D-TV. Brug en smallere dækning vinkel (30 grader) vinkelret på forsiden af ​​3D-TV. Tillad for maksimal overlapning inden for det ønskede 3D-arbejdsrum. Sørg genstande i betragtning af mindst to kameraer, som kan spores med succes (Figur 3).
      Figur 3
      Figur 3. IR sporing kamera dækning for at maksimere 3D arbejdsområde foran TV. Parts (A) og (B) viser forfra og fra siden med hensyn til 3D / VR Visualisering System. Klik her for at se en større udgave af dette tal .
  2. Eksperimentere med alternative kamera placering, hvis det kræves for at skabe en passende3D-arbejdsområdet. Dette kan være påkrævet, hvis den lodrette kameramonteringsplatform afstand er begrænset.
  3. Installer og kalibrere Tracking Software
    1. Installer OptiTrack stive legeme Toolkit om tracking computer med den medfølgende installationsvejledning.
    2. Fastlagte tærskelværdi, Eksponering, lysstyrken afhængig af miljø og indstil Capture Kvalitet til høj, som beskrevet detaljeret i tracking software instruktioner.
    3. For Wand Capture, være omhyggelig med at fjerne alt andet reflekterende materiale fra 3D-arbejdsområdet. Bevæge sig jævnt i hele kamera overlap arbejdsområde med den reflekterende tryllestav. Gentag indtil standard og betyde fejl under "0.5" opnås derefter gemme kalibreringen filen.
    4. Indstil jordplanet til at etablere en sporet 3D arbejdsområde koordinatsystem oprindelse. Definer Wiimote og 3D goggle spores genstande som beskrevet i tracking software instruktioner.
  4. Komplet VRUI Calibration
    1. Sæt VRUI at acceptere tracking information fra sporing computer.
    2. Kontroller sporing funktionalitet i VRUI hjælp DeviceTest kalibrering nytte.
    3. Juster VRUI 3D-skærm og tracking software koordinatsystemer.
    4. Sæt orientering af sporet Wiimote og 3D briller ved hjælp AlignTrackingMarkers tilpasning software.

3. Forbered 3D-modellering til brug

  1. Inden du begynder, skal du fjerne alle reflekterende smykker (dvs., ure, øreringe, metaller, etc.). Fjern ikke korrigerende briller, der er nødvendige for at fokusere på skærmen.
  2. Saml udstyr til 3D / VR Visualisering system:
    1. Modeling computer
    2. Sporing computer
    3. Stort format 3D-kompatibelt TV
    4. Video-kabel mellem modellering computer og 3D-tv
    5. 3D IR-emitter for 3D-tv
    6. Ethernet-kabler til modellering og sporing computere
    7. Wiimote med sporing gevirer (controller)
    8. 3D briller med sporing gevirer (3D briller) 5
  3. Placer forsigtigt controller, hvor det kan nemt nås fra modellering computer, pas på ikke at røre eller flytte de sfæriske IR sporing markører knyttet til den.
  4. Placer forsigtigt 3D briller på TV-stativ (som før, skal du sørge for at undgå at berøre reflekterende markører).
  5. Forbind de tre USB-kabler fra IR-kameraer monteret over 3D-tv til 3 USB-porte på sporing computer, mens den er slukket.
  6. Find fjernbetjeningen 3D-tv og læg den foran 3D-tv.
  7. Tilslut videokablet til grafikkortet på modellering computer og video-indgangen på 3D-TV. Tilslut også 3D IR-emitter for 3D-synkronisering output fra 3D-tv, og placere emitter på TV stå i nærheden side af TV, peger op mod hvor beskyttelsesbriller skal anvendes. Vær meget forsigtig ikke at flytte placeringen af ​​den kalibrerede TV.
  8. Slå 3D-TV, før du tænder på modeling computer til ensikker ordentlig anerkendelse af computeren.
  9. Tænd modellering computer. Efter modellering computeren starter til en login-prompt, skal du logge ind på modellering computer Linux-system til en passende højde.
  10. Når modellering computerens skrivebord er tilgængelig, bruge fjernbetjeningen 3D-tv for at kontrollere status for video kabelforbindelse ved at trykke på "info / i" knappen. Sørg for, at TV-skærmen viser "1920x1080 @ 60Hz" i øverste venstre hjørne. Hvis ikke, skal du genstarte modellering computer at etablere korrekt erkendelse af 3D-TV. Også være sikker på tv er i 3D output MODE 2, ved hjælp af fjernbetjeningen setup menuerne.
  11. På modellering computerens skrivebord, åbne et terminalvindue med flere faner.
  12. På sporing computer, kontrollere Ethernet-adapter IP-adresse ved at skrive "ipconfig" i en kommando vindue.
  13. På modellering computer, åbne et terminalvindue fane og kontroller inden for VRDevices.cfg akter, at de "servernavn" definerertracking computer ethernet adapter IP-adresse.
  14. Hvis det er nødvendigt, ændre "servernavn" IP-adresse i VRDevices.cfg at matche sporing computer ethernet adapter, og gem VRDevices.cfg.
  15. På sporing computer, indlede OptiTrack stive krop Tool software.
  16. Lad software til at åbne helt, og klik derefter på den store knap i toppen menu mærket "Load Calibration Result".
  17. Gå til og åbne det relevante kamera kalibrering fil.
  18. Når filen er indlæst, skal du klikke på menuen "Filer" og vælg "Load stive krop definitioner".
  19. Gå til og åbne det relevante stive definition krop filen for den sporede controller og 3D briller.
  20. På den yderste højre rude i tracking software, skal du finde afsnittet mærket "Streaming", udvide afsnittet og under kategorien "VRPN Streaming", kontrollere, at det portnummer opført er 3883, så tjek den "Broadstøbt ramme data "boksen inde i" kategori VRPN Streaming Engine ".
  21. Ved modellering computer, skal du sørge for, at den registeransvarlige er enten direkte i hånden eller umiddelbart tilgængelig (2 sek væk på det mest).
  22. På modellering computer, opdrage en fane i terminalvinduet oprettet tidligere i denne session og navigere til og derefter indlede VRDeviceDaemon software, fx at skrive "./VRDeviceDaemon".
  23. Følg prompt til Hvis aktiviteten var en succes, vil vinduet nu vise "trykknapper 1 & 2 på Wiimote samtidig." "VRDeviceServer: Venter på klient forbindelse".

4. Test 3D / VR Visualisering system ved hjælp NCK Software

Følgende sæt af instruktioner skitserer, hvordan du bruger NCK software menuer på skærmen for at oprette controller værktøj funktioner, og derefter hvordan man opbygger og manipulere en carbon nanotuvære i 3D / VR arbejdsområde fra bestanddele carbonatomer (Figur 4). Instruktioner om hvordan man måler de resulterende bond vinkler og afstande (trin 4.4.10) er tilgængelige online 10.

Figur 4
Figur 4. bachelorstuderende ved hjælp af 3D / VR Visualisering System til at studere kulstofnanorør (CNT) Billeder (A) -.. (F) viser byggeprocessen af en enkelt væg CNT Klik her for at se en større udgave af dette tal .

  1. Inden for modellering computer terminal vindue oprettet i trin 3.11, skal du vælge fanen tredje. For at starte NCK-softwaren, skal du navigere til NCK installation bibliotek og type:
    "./NanotechConstructionKit -rootSection localhost -domainsize 36 ".
  2. At være meget forsigtig med ikke at røre eller løsne de vedlagte sporing markører, sat på 3D-briller og afhente controlleren. Juster hoved / goggle visning stand til at sikre 3D briller får 3D-tv IR emitter sync signal, så 3D / VR visning af TV-skærmen.
  3. For at have et værktøjssæt til at tilføje, flytte og slette atomer, tildele NCK kommando foreninger til knapper på controlleren som følger:
    1. Åbn hovedmenuen NCK på skærmen ved at trykke på og holde knappen Hjem på Wiimote, navigere til og vælge "Tilsidesæt Funktioner" menupunktet, derefter slippe knappen Hjem. Dette tillader tildeling af kommandoer til forskellige knapper på controlleren uafhængigt af hinanden.
    2. At knytte Wiimote udløser knappen (i bunden af ​​controlleren) med virkningen af ​​at manipulere atomer i NCK, tryk og hold triggerknappen navigere på skærmen NCK menu til & #8220; Dragger "og vælg" 6-DOF Dragger "og derefter slip på aftrækkeren. Udløseren er nu forbundet med virkningen af ​​at manipulere atomer.
    3. For at tildele funktionen til at tilføje et atom til "+" knappen på Wiimote, bringe hovedmenuen op ved at trykke på og holde knappen Hjem, navigere til "strukturelle enhed typer", og vælg "Triangle", og slip derefter knappen Hjem .
    4. Næste tryk på og hold knappen "+", naviger til "Dragger," og vælg "6-DOF Dragger," slip derefter knappen "+". Den "+" knappen er nu forbundet med at skabe nye atomer af den valgte type (alt kulstof repræsenteret ved trekanter, i dette tilfælde).
    5. For at tildele funktionen for at slette et atom til "-" knappen på Wiimote, hente hovedmenuen ved at trykke og holde "Home" knappen, derefter gå til "strukturelle enhed Types", og vælg & #8220; Slet valgte enheder, "slip derefter knappen Hjem.
    6. Dernæst skal du holde knappen "-", naviger til "Dragger" og derefter "6-DOF Dragger", og slip "-" knappen. Den "-" knappen er nu forbundet med sletning af atomer.
    7. Følg en lignende procedure for at tildele funktioner "låse valgte enheder" til "1" Wiimote knappen, og "Lås udvalgte enheder" til "2" controller knappen.
  4. Når controller knapper er konfigureret, skal du oprette et kulstof nanorør hjælp NCK som følger:
    1. Ved hjælp af knappen "+", tilføje to 3-bond trekantede kulstofatomer til NCK arbejdsområdet. Manipulere disse ved hjælp af aftrækkeren knappen, indtil de slutter på et toppunkt.
    2. Tilsæt 4 flere carbonatomer til at skabe en sekskantet stjerne form.
    3. Brug af "Home" menuen skal du navigere til "I / O Menuer" og derefter "Gem Units.
    4. Flyt 6 spidse struktur væk fra sin nuværende position.
    5. Brug af "Home" menuen skal du navigere til "I / O-menuer", derefter "lastenheder.
    6. Gentag de sidste 2 trin, indtil en 6 med 6 ark af sekskantede 6-atom ringe er oprettet (figur 5A).
    7. Brug af "1" -knappen, låse et atom i den øverste række, og en modstående atom i den nederste række. De låste atomer vil blive markeret med en lyserød farve (figur 5B).
    8. Brug triggerknappen forsigtigt flytte en af ​​de låste atomer i en cirkelbue, indtil dets frie toppunkt nærmer sig fri toppunkt modstående låst atom. En grøn linje vises mellem de hjørner, når de er tæt nok, at atomare tiltrækning vil få dem til at deltage med en obligation (figur 5C). Når held forenet låse begge atomer ved hjælp af "2" -knappen.
    9. Fortsæt på samme måde låsning, sammenføjning, og oplåsning modsatte atomare versis i kulfilter, effektivt "zippe" arket til et endeligt kulstof nanorør (figur 5D-5F).
      Figur 5
      Figur 5. trinvis etablering af et én væg CNT viser (A) en 6 x 6 ark (graphene) af sekskantede kulstof ringe, (B) modstående kulstofatomer "låst" (vist som pink trekanter) for at gøre det lettere manipulation mod realistiske interatomare kræfter, (C) carbon (graphene) plader omhyggeligt buet for at tillade binding mellem atomerne på modstående sider, (D) yderligere to modstående carbonatomer låst for at hjælpe yderligere kulfilter krumning, (E) yderligere modstående carbonatomer bundet til fortsætte carbon ark krumning i et nanorør, og (F) endelig CNT dannet efter sekventiel binding af modstående atomer af den oprindelige CArbon ark (graphene). Klik her for at se en større udgave af dette tal.
    10. Når nanorør er færdig, skal du bruge på skærmen måleværktøjer at bekræfte strukturelle vinkler og afstande 10.

5. Visualisering af Molecular Dynamics Simulation Modeller

  1. Importer en indledende krystallinsk SiO2 kubisk model i 3D / VR NCK software, og undersøge den oprindelige struktur (se figur 2A).
  2. Open-source programmer MDCASK 11 og LAMMPS 12 var rettet på grund af funktioner, der er velegnede til denne forskning fokus. Sidstnævnte program bruges i dette arbejde givet dets varierede interatomare potentialer og GPU computing formåen. Brug af LAMMPS MD pakke 12, køre en simuleret smelte / slukke procedure på denne første struktur for at fremstille en amorf SiO2 st ructure. Nærmere oplysninger om denne simulerede procedure kan findes i tidligere udgivelser 13-15.
  3. Importer den resulterende nye amorfe (uordnede) SiO2 model i 3D / VR NCK software og undersøge strukturen (se figur 2B).
  4. Opret en SiO2 nanospring / nanoribbon ud af den nye amorft faststof ved hjælp af den åbne kildekode NanospringCarver 16 og tilhørende instruktions dokumentation 17 (figur 6). Figur 6
    Figur 6. Illustration af trin-for-trin atom udvælgelsesproces på forskellige stadier i skabelsen af en nanospring hjælp af NanospringCarver programmet Parts. (A - D) angiver 25%, 50%, 75% og 100% afslutningen af denne proces 17.target = "_ blank"> Klik her for at se en større udgave af dette tal.
  5. Brug LAMMPS MD-pakken til at udføre trækstyrke simuleringer på nanospring / nanoribbon (figur 7). Detaljer om denne fremgangsmåde kan findes i en tidligere publikation 15.
    Figur 7
    Figur 7. Snapshot billede fra LAMMPS MD silica spiralformet nanostruktur (nanoribbon) trækstyrke simulering resultater.
  6. Brug open source software-værktøjer VMD (visualisere Molecular Dynamics) 18 ImageMagick 19, og FFmpeg 20 til at skabe snapshots og animation af den spiralformede nanostruktur hele denne simulering (Animeret figur 1), til præsentation i 3D / VR Visualisering System. Klik her for et større version af dette tal.

Animeret Figur 1 . Animation af spiralformede nanostruktur trækstyrke simulering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Denne 3D / VR Visualisering System giver nye muligheder for ledende materialer videnskabsstudier. Da denne fordybende miljø fungerer i realtid, i form af 3D-input og display, er forskeren præsenteret for et fuldt interaktivt nanoskalerede instrument 2. Ved at følge den protokol, der præsenteres her, blev en silica spiralformet nanoribbon oprettet i dette trin-for-trin måde. Et øjebliksbillede af denne struktur er fremstillet af LAMMPS MD er vist i figur 7. Denne struktur blev underkastet simuleret trækprøvning, og resultaterne af denne simulation er vist i Animation figur 1, som illustrerer reorganisering og svigt af konstruktionen under trækkræfter.

Ved at kombinere den real-time interaktivitet og visuel karakter af en fordybende miljø med stærke MD simuleringer 15 kan forskerne drage fordel af intuitiv kontrol og alle funktioner analyse.

The forbedret 3D / VR Visualisering System med MD kapacitet blev grundigt testet og implementeret i nanoscience forskning i Davila Lab på UC Merced, med fokus på trækstyrke simuleringer af amorf silica nanotråde, nanoribbons og nanosprings 15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kritiske elementer i en vellykket installation og brugen af 3D / VR Visualisering System er nærmere beskrevet i det fysiske miljø og Design Overvejelser og Særlige forhold supplerende materiale. Vigtige installation overvejelser indbefatter 3D-visning højde for komfortabel langsigtede stående eller siddende brug, maksimeret sporing kamera monteret højde at skabe et stort 3D arbejdsområde, stabil sporing kamera og 3D-skærme til at opretholde konfiguration over tid, og fjernelse af IR-reflekterende elementer fra 3D-arbejdsområdet. Som nævnt i monteringsvejledningen, hvis de tilgængelige sporing kamera monteringshøjde er begrænset, kan alternativ kamera orientering være nødvendigt at skabe det største 3D-arbejdsområdet.

Under konfigurationen af ​​tracking software, staven capture trin er vigtigt for endelig sporing nøjagtighed. Der bør udvises omhu for at flytte den reflekterende wand thordigt og gnidningsløst hele sporing kamera overlappende område uden at blokere nogen kamera eller indføre nogen sekundær reflekterende objekt, gentage dette trin efter behov, indtil de krævede fejlværdier opnås. Som nævnt i ovennævnte afsnit, under brug system, kan det være vigtigt at skabe en lille skjold på 3D briller for at forhindre interferens fra sporingen IR signal med 3D-synkronisering IR-signal, og at bruge friske 3D goggle batterier for at maksimere goggle 3D synkronisering. Derudover skal der tages konsekvent sørge for at ikke røre eller ændre 3D-goggle og Wiimote IR-reflekterende kugler, og at ikke fysisk flytte tracking kamera eller 3D display positioner for at opretholde præcis 3D tracking og billedbehandling.

Andre tidligere indsats har fokuseret på MD og real-time interaktivitet (fx via VMD, en populær molekylær visualisering og modellering software til biomolekylære systemer 21), mens nyere tilgange have implementeret andre brugergrænseflader og 3D gestus og stemme kontrollerer 22. En anden gruppe 23 har skabt software, der integrerer adaptive, trinvise algoritmer til at opdatere den potentielle energi og interatomare kræfter indenfor nanosystemer. Den i dette arbejde omfatter et særligt mål, da den består af 3D-visualisering af nanomaterialer via open source NCK software 6, med interaktivitet i en virtuel virkelighed miljø og MD simuleringer kapacitet via LAMMPS open source kode 12. Denne kode giver mulighed for fleksibilitet, da forskellige robuste interatomare potentialer er tilgængelige til at studere nanomaterialer, for materialevidenskab forskning. Således på dette arbejde omfatter tilsvarende elementer i MD simulering og interaktivitet som nogle andre metoder, men med fokus på nanoskala materialeforskning.

Betydningen af ​​3D / VR Visualisering her beskrevne system er, at det er enklere og billigere at etablere end mere fleksibelt at bruge for den gennemsnitlige forsker eller underviser, end dyrere specialiserede fordybende miljøer. Tilsætningen af ​​GPU-accelereret MD simulering evne udnytter denne computing teknologi hurtigt udviklende at skabe en energi og rum bevare, high-performance computing miljø i laboratoriet. Denne roman medrivende værktøj kombineret med avancerede analysemuligheder er kraftfuld og effektiv til brug i områder som materialevidenskab, og er unikt egnet til nanoskala forskning og uddannelse. Dette system blev valgt til at blive fremvist i maj 2012-serien "Vores Digital Life" 24 om UCTV (offentlig-servering medie og det første universitet-run YouTube oprindelige kanal).

Som både en forsknings- og pædagogisk værktøj, 3D / VR Visualisering System med accelereret MD kapacitet fremmer tværfagligt samarbejde og integration af forskning og nye læringsmetoder, herunder coach-style undervisning, aktiv læring, og flere læringsstile, herunder anvendelse af interaktive manualer udviklet til system 3. Gennemførelsen af ​​3D / VR Visualisering System har resulteret i peer-reviewed publikationer, flere konferencerum præsentationer, et speciale, en NSF tildeling og tværfaglige samarbejder.

Mulige fremtidige udvikling og udbygning af den beskrevne 3D / VR Visualisering system kan omfatte tilføjelse af menustyrede værktøj i den NCK 3D-grænseflade for at lette direkte interaktion med MD-programmet (LAMMPS), mens de resterende i den virtuelle virkelighed miljø.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.

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