Novel 3D / VR interaktivt miljø for MD Simuleringer, visualisering og analyse

1Materials Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced
Published 12/18/2014
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
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.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

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 økende utviklingen av databehandling (maskinvare og programvare) i de siste tiårene har påvirket vitenskapelig forskning på mange områder, inkludert materialvitenskap, biologi, kjemi og fysikk blant mange andre. Et nytt beregningssystem for nøyaktig og rask simulering og 3D / VR visualisering av nanostrukturer er presentert her, ved hjelp av open-source molekyldynamikk (MD) dataprogram LAMMPS. Denne alternative beregningsmetoden bruker moderne grafikkprosessorer, NVIDIA CUDA-teknologi og spesialiserte vitenskapelige koder for å overvinne behandling hastighet barrierer felles for tradisjonelle beregningsmetoder. I forbindelse med en virtuell virkelighet system som brukes til å modellere materialer, gir dette ekstra tillegg av akselerert MD simulering evne. Motivasjonen er å tilveiebringe en ny forsknings miljø som samtidig tillater visualisering, simulering, modellering og analyse. Forskningen har som mål å undersøke struktur og egenskaper av uorganisk nanostructures (f.eks silika glass nanosprings) under ulike forhold ved hjelp av dette innovative beregningssystemet. Arbeidet presenteres skisserer en beskrivelse av 3D / VR visualisering System og grunnleggende komponenter, en oversikt over viktige hensyn slik som det fysiske miljøet, detaljer om oppsett og bruk av nytt system, en generell prosedyre for akselerert MD ekstrautstyr, teknisk informasjon og relevante bemerkninger. Virkningen av dette arbeidet er etableringen av et unikt beregningssystem som kombinerer nanoskala materialer simulering, visualisering og interaktivitet i et virtuelt miljø, som er både et forsknings- og undervisnings instrument ved UC Merced.

Introduction

Materialvitenskap er et tverrfaglig felt som undersøker struktur-eiendommen relasjoner i saken for deres søknad til mange områder av vitenskap og engineering. Som struktur-eiendommen relasjoner blir undersøkt gjennom datasimulering i tillegg til eksperimentering, dataverktøy tilby komplementære egenskaper som kan forbedre forskningsinnsats. Mens nanomaterialer er av interesse for forskere og har ufattelig verdi for deres potensielle sosial påvirkning, er denne størrelsen regime nervøs med mange utfordringer som finnes særlig i eksperimentering.

Datasimuleringer tillate forskere og ingeniører til å utføre spesialiserte tester i et stort utvalg av miljøer bare begrenses av tid og beregningsressurser. Molekyldynamikk (MD) simuleringer tillate riktig tidspunkt og lengdeskalaer å studere fenomenet interesse i mange nanomaterialer. Simuleringer utvide studiet av materialer ved å fjerne begrensninger av than fysisk laboratorium, men mange dataverktøy mangler tilgjengelige, intuitive grensesnitt for forskning. Forbedring med grafisk visning av modeller, effektive beregningsalgoritmer, og grafisk prosesseringsenhet (GPU) basert databehandling utfylle dagens simulerings innsats. Disse nye grafikk enhetene kombinerer med sentrale prosessorer effektivt å tillate matematikkintensive beregninger som skal gjøres av GPU. Resultatet er en effektiv akselerasjon av beregningen av størrelsesorden 10 x ledsaget av en reduksjon i kraftforbruket opp til 20x.

Målet med dette forskningsprosjektet var å utvikle og implementere en roman verktøy for nanovitenskap etterforskning som direkte kobler et interaktivt grensesnitt til MD simuleringer, materialvitenskap analyse og 3D visualisering. Dette nyskapende systemet med unike og kraftige analysemuligheter har vært brukt i nanoskala forskning og utdanning ved UC Merced, med direkte konsekvenser for andre rel rerte STEM felt som nanoteknologi, fysikk, biologi og geologi, og ultimate fordel til utdanning og samfunn.

3D / VR visualisering System ble gjennomført som både forskning og undervisning instrument som tillater opprettelse og manipulering av atomstrukturer i en interaktiv 3D virtuell virkelighet (VR) miljø. Systemet ble opprettet fra et sett med relativt lave kostnader og tilgjengelige komponenter etter modell opprinnelig utviklet av Dr. Oliver Kreylos ved UC Davis en.

Nedenfor er et bilde av den endelige 3D / VR visualisering System layout, med viktige komponenter merket (figur 1). Dette systemet ble opprinnelig etablert for utdanning ved UC Merced i 2009. Gjennomføringen av den opprinnelige 3D / VR-systemet resulterte i fagfellevurderte publikasjoner 2-3. Tabell 1 nedenfor oppsummerer viktige egenskaper for hvert element av 3D / VR visualisering System.

ntent "fo: keep-together.within-side =" always "> Figur 1
Figur 1. 3D / VR visualisering System og hovedkomponenter (til venstre) i Davila Research Laboratory ved UCM og visualiserings enheter (til høyre). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Element Komponent Funksjonalitet i System
A 3D-TV 3D-visning av modellerte molekylære strukturer og menyer på skjermen.
B Infrarøde (IR) sporing kameraer 4 IR-kameraer spore posisjoner av Wiimote og 3D-visning briller i bruks arbeidsområdet foran 3D-TV, slik at virlige 3D manipulasjon av viste strukturer.
C Sporing av PC Kjører IR-kamera sporing av programvare og sender Wiimote og 3D goggle stillinger til modellering datamaskin.
D Wiimote Brukes for styring av modellering programvare på skjermen og å manipulere strukturer i 3D virtuelt miljø.
E 3D-briller 5 Synkronisert med 3D-TV IR-signal, tillate 3D-visning av struktur. Stilling sporet av IR-kameraer for nøyaktig 3D-visning.
F Modellering PC Kjører NCK / VRUI 3D-modellering og visualisering 6, godtar goggle / Wiimote stilling og styringssignaler for å lage nøyaktige 3D molekylære strukturen visning.

Tabell 1. Funksjonalitet av hovedelementene i 3D / VR visualisering System ved UCM.

Description av 3D / VR visualisering System og hovedkomponenter:

3D / VR visualisering System Oversikt - 3D / VR Visualisering System består av et sett med IR-kameraer og sporing programvare som opererer i forbindelse med 3D modellering programvare for å tillate en bruker til interaktivt lage 3D molekylære strukturer. IR-kameraer og programvare spore 3D plasseringen av en Wiimote og 3D-visning briller ved bruk av IR-markører, og sende dette til modellering programvare. Modellering programvare bruker Wiimote kontrollsignaler og bevegelse for å generere 3D molekylære strukturer Kan vises med en kombinasjon av en 3D-kompatibel stort format TV med synkroniserte og spores 3D-briller. Dette resulterer i en 3D virtuell virkelighet arbeidsområde innenfor der brukeren kan dynamisk opprette og manipulere virtuelle molekylære strukturer som gjenspeiler den virkelige verden fysisk oppførsel basert på inter-atomære krefter som brukes i modellering programvare (figur 2). Spesialhensyn ions for opprettelsen av dette systemet kan finnes i supplerende materialer.

Figur 2
Figur 2. Gransker silika nanomaterialer ved hjelp av 3D / VR visualisering System. (A) En forsker skaper en innledende kristobalit modell (krystallinsk) før GPU-baserte simuleringer. (B) Ved å utføre en simulert MD smelte slukke prosedyre på modellen vist i (a), får en annen forsker en silika glass modell (ikke-krystallinsk). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

3D / VR visualisering System Enhancement - MD Simulering Capability:

Molekyldynamikk simuleringssystemer er vanligvis implementert i enmulti-nodal mote, det er, er en stor arbeidsmengde distribuert eller parallelized blant titalls til tusenvis av prosessorer. Nylig har flere muligheter for akselerert vitenskapelig databehandling oppstått ut av utviklingen i datagrafikk prosessering. Disse fremskritt inkluderer programvaregrensesnitt slik at forskerne kan dra nytte av den svært parallell natur prosessorkraft egenverdi for grafikkbrikker. Med bruk av Compute Unified Device Architecture eller CUDA 7, kan forskerne bruke GPU 8 for å forbedre hastigheten som problemene er løst og samtidig redusere kostnadene for infrastruktur. En typisk GPU kan ha tilsvarende hundrevis til tusenvis av kjerner eller "noder" for bearbeiding av informasjon, og da disse kan hver brukes parallelt, kan en godt kodet løsning gi opptil 1,000x gjennomstrømming akselerasjon mot sin multi-core motstykke . Selv om ikke alle problemer er godt egnet til denne tilnærmingen, har dagens MD simuleringer sett opp til 15x gjennomstrømming ytelsesgevinsten 9. Informasjon om 3D / VR visualisering system MD-GPU ekstrautstyr kan bli funnet i supplerende materialer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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

  1. Installere Linux-operativsystemet på modellering PC (Ubuntu x86 / AMD64 avhengig av maskinvare).
  2. Endre LINUX basen operativsystem.
    1. Installere biblioteker og legge til funksjonalitet som er nødvendig.
  3. Installere VRUI og NCK 3D / VR modellering programvare på Modeling PC 6.
    1. Sjekk relaterte nettsteder 1,6 for å få nyeste versjonene av alle modellering programvarekomponenter.
    2. Kompilere, konfigurere og teste VRUI.
    3. Installere og teste NCK.

2. Sett opp Tracking System 1

  1. Mount IR Tracking Kameraer 4
    1. Lag en stiv kamera suspensjon ramme rett over forkanten av 3D-TV nær taket for best dekning. Mount tre kameraer på sving mounts direkte over de fremre hjørner og foran midten av 3D-TV. Sikre at dekningen vinkelen hvert kamera bare gRazes fremsiden av TV-en.
    2. Sikte kameraene for å ha den bredeste dekningen vinkel (45 grader) parallelt med fronten av 3D-TV. Bruk en smalere dekningsvinkel (30 °) vinkelrett på forsiden av 3D-TV. Gi maksimal overlapping innenfor den ønskede 3D arbeidsområde. Sikre objekter er i lys av minst to kameraer for å spores hell (figur 3).
      Figur 3
      Figur 3. IR sporing kamera dekning for å maksimere 3D arbeidsområdet foran TV. Parts (A) og (B) viser forfra og fra siden med respekt av 3D / VR visualisering System. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet .
  2. Eksperimentere med alternative kameraplassering hvis det er nødvendig for å skape en tilstrekkelig3D arbeidsområde. Dette kan være nødvendig dersom den vertikale kameramonteringsavstand er begrenset.
  3. Installere og kalibrere Tracking Software
    1. Installere OptiTrack Rigid Body Toolkit på sporings datamaskinen med medfølgende installasjonsmanualen.
    2. Sett Threshold, Eksponering, verdier Illumination avhengig av miljø og sette Capture Kvalitet til høy, som beskrevet i sporing programvareinstruksjoner.
    3. For Wand Capture, være forsiktig med å ta ut alt annet reflekterende materiale fra 3D-arbeidsområdet. Bevege seg jevnt over hele kamera overlapping arbeidsområde med den reflekterende wand. Gjenta til standard og mener feil under "0.5" oppnås deretter lagre kalibreringsfilen.
    4. Still grunnplanet for å etablere en sporet 3D arbeidsområde koordinatsystem opprinnelse. Definere Wiimote og 3D goggle spores gjenstander som beskrevet i sporing programvareinstruksjoner.
  4. Komplett VRUI Kalibrering
    1. Satt VRUI å akseptere tracking informasjon fra sporing datamaskin.
    2. Verifisere sporingsfunksjonalitet i VRUI hjelp DeviceTest kalibreringsverktøy.
    3. Rett VRUI 3D-visning og sporing av programvare koordinatsystemer.
    4. Satt orientering av spores Wiimote og 3D-briller ved hjelp AlignTrackingMarkers justering programvare.

3. Forbered 3D modellering systemet for bruk

  1. Før du begynner, må du fjerne alle reflekterende smykker (dvs., klokker, øredobber, metaller, etc.). Ikke fjern korrigerende briller for å fokusere på skjermen.
  2. Montere utstyr for 3D / VR visualisering System:
    1. Modellering datamaskin
    2. Sporing datamaskin
    3. Stort format 3D-kompatibel TV
    4. Videokabel mellom modellering datamaskin og 3D-TV
    5. 3D IR emitter for 3D-TV
    6. Ethernet-kabler for modellering og sporing datamaskiner
    7. Wiimote med sporing gevir (controller)
    8. 3D-briller med sporings gevir (3D-briller) 5
  3. Plassere nøye kontroller der det kan nås lett fra modellering datamaskin, tar seg ikke å berøre eller flytte de sfæriske IR sporing markører knyttet til den.
  4. Nøye plassere 3D-briller på TV-stativ (som før, sørg for å unngå å berøre de reflekterende markører).
  5. Koble de tre USB-kabler fra IR-kameraer montert over 3D-TV til tre USB-porter på sporing datamaskin, mens den er slått av.
  6. Finn 3D-TV fjernkontroll og plasser den foran 3D-TV.
  7. Koble videokabelen til skjermkortet på modellering datamaskin og videoinngangen på 3D-TV. Kobler også 3D IR emitter for 3D-synkronisering av produksjonen fra 3D-TV, og plassere senderen på TV stå i nærheten av side av TV, og peker opp mot hvor briller skal brukes. Være svært forsiktig med å flytte posisjonen til den kalibrerte TV.
  8. Slå på 3D-TV PÅ før du slår på modellering datamaskinen til ensikker skikkelig anerkjennelse av datamaskinen.
  9. Slå PÅ modellering datamaskin. Etter modellering datamaskinen starter til en login prompt, logge inn på modellering datamaskin LINUX system til en passende konto.
  10. Når modellering skrivebordet er tilgjengelig, bruk 3D-TV-fjernkontrollen for å sjekke status på videokabelforbindelsen ved å trykke på "info / i" -knappen. Sørg for at TV-skjermen viser "1920x1080 @ 60Hz" i øvre venstre hjørne. Hvis ikke, start modellering datamaskinen til å etablere riktig anerkjennelse av 3D-TV. Også være sikker på at TV-en er i 3D-utgang MODE 2, ved hjelp av fjernkontrollen oppsettmenyene.
  11. På modellering skrivebordet, åpne et terminalvindu med flere faner.
  12. På sporings datamaskinen, kontrollerer du Ethernet-adapter IP-adressen ved å skrive "ipconfig" i et kommandovindu.
  13. På modellering datamaskin, åpne en terminal fane vindu og sjekk innenfor VRDevices.cfg fil at "Server" definerersporings datamaskin ethernet adapter IP-adresse.
  14. Om nødvendig, endre "servername" IP-adresse i VRDevices.cfg å matche sporings datamaskin ethernet adapter, og lagre VRDevices.cfg.
  15. På sporings datamaskin, starter du OptiTrack Rigid Body Tool programvare.
  16. La programvaren til å åpne helt, klikk på den store knappen nær toppmenyen merket "Load Calibration Result".
  17. Bla til og åpne riktig kamera kalibreringsfilen.
  18. Når filen er lastet, klikk på "File" -menyen og velg "Load stive kroppen definisjoner".
  19. Bla til og åpne riktig stiv kropp definisjonsfilen for den spores kontrolleren og 3D-briller.
  20. På ruten lengst til høyre av sporingsprogramvare, finn delen som er merket "streaming", utvide delen og under kategorien "VRPN Streaming", kontrollere at portnummeret som er oppført er 3883, deretter sjekke "Bredstøpt ramme data "boksen inne i" kategori VRPN Streaming Engine ".
  21. På modellering datamaskin, sørg for at kontrolleren er enten direkte i hånden eller umiddelbart tilgjengelig (2 sek unna på de fleste).
  22. På modellering datamaskin, få opp en fane i terminalvinduet opprettet tidligere i denne sesjonen og navigere til og deretter starte VRDeviceDaemon programvare, for eksempel skrive "./VRDeviceDaemon".
  23. Følg ledeteksten til Hvis aktiviteten var vellykket, vil vinduet nå vise "trykknapper 1 & 2 på Wiimote samtidig.» «VRDeviceServer: Venter på klient-tilkobling".

4. Test 3D / VR visualisering System Bruke NCK programvare

Følgende sett med instruksjoner skisserer hvordan du bruker NCK programvareskjermmenyer for å etablere kontrolleren verktøyet fungerer, og deretter hvordan du kan bygge og manipulere en karbon nanotuvære i 3D / VR arbeidsområde fra konstituerende karbonatomer (figur 4). Instruksjoner om hvordan du måle de resulterende obligasjons vinkler og avstander (Trinn 4.4.10) er tilgjengelig online 10.

Figur 4
Figur 4. Undergraduate student ved hjelp av 3D / VR visualisering System for å studere karbon nanorør (CNTs) Bilder (A) -.. (F) viser byggeprosessen av en enkelt vegger CNT Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet .

  1. Innenfor modellering datamaskin terminalvindu opprettet i trinn 3.11, velg det tredje kategorien. For å starte NCK programvare, naviger til NCK installasjonsmappen og skriv:
    "./NanotechConstructionKit -rootSection localhost -domainsize 36 ".
  2. Å være veldig forsiktig med å ta på eller løsne de vedlagte sporing markører, ta på 3D-briller og plukke opp kontrolleren. Justere hode / goggle seerposisjon for å sikre 3D-briller får 3D-TV IR emitter sync signal, slik at 3D / VR visning av TV-skjermen.
  3. For å ha et verktøy for å legge til, flytte og slette atomer, tildele NCK kommando assosiasjoner til knappene på kontrolleren som følger:
    1. Få frem hovedmenyen NCK på skjermen ved å trykke og holde inne Hjem-knappen på Wiimote, navigere til og velge "Styr Tools" menyen, deretter slippe Hjem-knappen. Dette tillater tildeling av kommandoer til forskjellige knappene på kontrolleren uavhengig av hverandre.
    2. Knytte Wiimote trigger-knappen (på bunnen av kontrolleren) med handlingen å manipulere atomer i NCK, trykk og hold inne utløserknappen, navigere på skjermen NCK menyen til & #8220; Dragger "og velg" 6-DOF Dragger ", da slipper avtrekkeren. Utløseren er nå forbundet med handlingen å manipulere atomene.
    3. Å tildele funksjonen til å legge til et atom til "+" knappen på Wiimote, bringe hovedmenyen opp ved å trykke og holde inne Hjem-knappen, naviger til "Structural Unit Types", og velg "Trekant", og slipp på Hjem-knappen .
    4. Neste trykk og hold "+" knappen, naviger til "Dragger," og velg "6-DOF Dragger," slipp "+" knappen. Den "+" knappen er nå forbundet med å skape nye atomer av den typen valgt (karbonatomer representert ved trekanter, i dette tilfellet).
    5. Å tildele funksjonen til å slette et atom til "-" knappen på Wiimote, få frem hovedmenyen ved å trykke og holde inne "Home" -knappen, og naviger til "strukturell enhet Typer," og velg & #8220; Slett valgte enhetene, "slipp deretter Hjem-knappen.
    6. Neste, trykk og hold "-" knappen, naviger til "Dragger" og deretter "6-DOF Dragger", og slipp "-" knappen. Den "-" knappen er nå forbundet med slette atomer.
    7. Følg en lignende fremgangsmåte for å tilordne funksjonene til "lock Valgte enheter" til "1" Wiimote-knappen, og "Lås opp valgte enhet" til "2" controller knappen.
  4. Når kontrolleren knappene har blitt konfigurert, skape et karbon nanorør hjelp NCK som følger:
    1. Bruke "+" -knappen, legge til to 3-obligasjons trekantede karbonatomer til NCK arbeidsområdet. Manipulere disse ved hjelp av utløserknappen inntil de blir med på et toppunkt.
    2. Tilsett 4 flere karbonatomer for å lage en sekskantet stjerneform.
    3. Bruke "Home" -menyen, navigere til "I / O menyer", deretter "Lagre Units.
    4. Flytt seks spiss struktur bort fra sin nåværende stilling.
    5. Bruke "Home" -menyen, navigere til "I / O Menyer", deretter "Load Units.
    6. Gjenta de siste to trinnene til en 6 av 6 ark av sekskantede seks-atom ringer har blitt opprettet (figur 5A).
    7. Bruke "1" -knappen, låse ett atom i den øverste raden, og en opposisjon atom i den nederste raden. De låste atomer vil bli markert med en rosa farge (Figur 5B).
    8. Ved hjelp av utløserknappen, nøye flytte en av de låste atomer i en sirkulær bue til sin gratis toppunktet nærmer seg fri toppunktet på opposisjon låst atom. En grønn linje vil vises mellom toppene når de er nær nok til at atom tiltrekning vil føre dem til å bli med en obligasjon (figur 5C). Gang blitt med, låse begge atomene ved hjelp av "2" -knappen.
    9. Fortsett på samme måte låsing, bli med, og låse opp motstridatom versis i karbon ark, effektivt "zipper" arket til et endelig karbon nanorør (Tall 5D-5F).
      Figur 5
      Figur 5. trinnvis opprettelse av en enkelt vegger CNT som viser (A) en 6 x 6 ark (graphene) av sekskantede karbonringer, (B) motstående karbonatomer "låst" (vist som rosa trekanter) for å tillate enklere manipulering imot realistiske interatomiske krefter, (C) karbon (graphene) arket forsiktig buet for å tillate binding mellom atomer på motsatte sider, (D) ytterligere to motstående karbonatomer låst for å bistå ytterligere karbon ark krumning, (E) ytterligere motstående karbonatomer bundet til carbon fortsette ark krumning inn i et nanorør, og (f) avsluttende CNT dannet etter sekvensiell binding av motstående atomer av den opprinnelige cArbon ark (graphene). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
    10. Når nanorør er ferdig, bruker på skjermen måleverktøy for å bekrefte strukturelle vinkler og avstander 10.

5. Visualisering av Molecular Dynamics Simuleringsmodeller

  1. Importere en innledende krystallinsk SiO 2 kubisk modell inn i 3D / VR NCK programvare, og undersøke den første strukturen (se figur 2A).
  2. Open-source programmer MDCASK 11 og LAMMPS 12 ble rettet på grunn av funksjoner som er godt egnet til dette forskningsfokus. Sistnevnte programmet brukes i dette arbeidet gitt sine varierte interatomiske potensialer og GPU computing evne. Bruke LAMMPS MD pakke 12, kjøre en simulert smelte / slukke prosedyre på denne første strukturen for å produsere en amorf SiO 2 st ructure. Detaljer om dette simulert prosedyre kan bli funnet i tidligere publikasjoner 13-15.
  3. Importere den resulterende nye amorf (uordnede) SiO 2-modellen inn i 3D / VR NCK programvare og undersøke strukturen (se figur 2B).
  4. Lag en SiO 2 nanospring / nanoribbon ut av den nye amorfe solid hjelp av åpen kildekode NanospringCarver 16 og tilhørende instruksjons dokumentasjon 17 (figur 6). Figur 6
    Figur 6. Illustrasjon av trinn-for-trinn-atom utvelgelsesprosessen ved forskjellige trinn i dannelsen av et nanospring hjelp av NanospringCarver programdeler. (A - D) indikerer 25%, 50%, 75% og 100% fullføring av denne prosessen 17.target = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
  5. Bruk LAMMPS MD-pakken for å utføre strekk simuleringer på nanospring / nanoribbon (figur 7). Detaljer om denne prosedyren kan bli funnet i en tidligere publikasjon 15.
    Figur 7
    Figur 7. Stillbilde fra LAMMPS MD silika spiralformede nanostrukturen (nanoribbon) strekksimuleringsresultatene.
  6. Bruke åpen kildekode-programvare verktøy VMD (Visualiser Molecular Dynamics) 18 ImageMagick 19, og FFmpeg 20 for å lage bilder og animasjon av den spiralformede nanostrukturen i hele denne simuleringen (Animert figur 1), for presentasjon i 3D / VR visualisering System. Klikk her for å se en større version av dette tallet.

Animert figur 1 . Animasjon av spiralformede nanostrukturen strekk simulering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Denne 3D / VR visualisering System presenterer nye muligheter for å drive materialer realfag. Ettersom dette oppslukende miljø opererer i sanntid, i form av 3D-inngang og display, er forskeren presentert med en fullstendig interaktiv nanoscaled instrument 2. Ved å følge protokollen presenteres her, ble en silika spiral nanoribbon opprettet i denne steg-for-steg mote. Et øyeblikksbilde av denne strukturen fremstilt fra LAMMPS MD er vist i figur 7. Denne strukturen ble utsatt for simulert strekkprøving, og resultatene av denne simuleringen er vist i animert figur 1 som illustrerer omstilling og svikt i konstruksjonen under strekkrefter.

Ved å kombinere interaktivitet i sanntid og visuelle karakter av en oppslukende miljø med kraftige MD simuleringer 15, kan forskere ha nytte av intuitiv kontroll og funksjonsanalyse.

The forbedret 3D / VR visualisering System med MD evne ble grundig testet og implementert i nanovitenskap forskning i Davila Lab ved UC Merced, med fokus på strekk simuleringer av amorfe silika nanotråder, nanoribbons og nanosprings 15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kritiske elementer i en vellykket installasjon og bruk av 3D / VR visualisering System er detaljert i det fysiske miljøet og Design Betraktninger og spesielle hensyn i supplerende materialer. Viktige installasjonshensyn inkludere 3D-visning høyde for komfortabel langsiktig stående eller sittende bruk, maksimert sporing montert kamera høyde for å skape et stort 3D-arbeidsområde, stabil sporing kamera og 3D-visning støtte for å opprettholde konfigurasjon over tid, og fjerning av IR-reflekterende elementer fra 3D arbeidsområde. Som nevnt i installasjonsinstruksjonene, hvis den er tilgjengelig sporing kamera monteringshøyde er begrenset, kan alternative kameraretningen være nødvendig for å skape den største 3D arbeidsområde.

Under konfigurasjon av sporingsprogramvare, er tryllestaven fangst skritt viktig for siste sporings nøyaktighet. Forsiktighet bør tas for å flytte den reflekterende stav thoroughly og jevnt gjennom hele sporing kamera overlapping område uten å blokkere noen kamera eller innføre noen sekundær reflekterende objekt, gjenta som nødvendig dette trinnet til de nødvendige feilverdiene er oppnådd. Som nevnt i ovennevnte avsnitt, under systembruk kan det være viktig å skape et lite skjold på 3D-briller for å hindre forstyrrelser fra sporings IR-signalet med 3D-synkronisering av IR-signal, og å bruke ferske 3D goggle batterier for å maksimere stirre 3D synkronisering. I tillegg bør konsekvent man sørge for å ikke berøre eller endre 3D goggle og Wiimote IR-reflekterende kuler, og å ikke fysisk skifte sporings kamera eller 3D-visningsstillinger for å opprettholde nøyaktig 3D sporing og bildebehandling.

Andre tidligere innsats har fokusert på MD og interaktivitet i sanntid (for eksempel via VMD, en populær molekylær visualisering og modellering programvare for biomolekylære systemer 21) mens nyere tilnærminger hahar implementert andre brukergrensesnitt og 3D gest og stemme kontrollerer 22. En annen gruppe 23 har skapt programvare som integrerer adaptive, inkrementelle algoritmer for å oppdatere den potensielle energien og interatomiske krefter innenfor nanosystemer. Systemet er beskrevet i dette arbeidet inkluderer et spesielt mål som det består av 3D-visualisering av nanomaterialer via open-source NCK programvare 6, med interaktivitet i en virtuell virkelighet miljø og MD simuleringer evne via LAMMPS åpen kildekode 12. Denne koden gir fleksibilitet ettersom ulike robuste interatomiske potensialer er tilgjengelige for å studere nanomaterialer, for materialvitenskap forskning. Dermed systemet i dette arbeidet har de samme elementer av MD simulering og interaktivitet som noen andre tilnærminger, men med fokus på nanoskala materialforskning.

Betydningen av 3D / VR visualisering System beskrevet her er at det er enklere og rimeligere å sette opp, end mer fleksibelt å bruke for en gjennomsnittlig forsker eller lærer, enn dyrere spesialiserte oppslukende miljøer. Tillegg av GPU-akselerert MD simulering evne utnytter dette raskt utviklende computing teknologi for å skape en energi og plass bevaring, høy ytelse datamiljø i laboratorium. Denne romanen oppslukende verktøy kombinert med avanserte analysemuligheter er kraftig og effektiv for bruk i felt som for eksempel materialvitenskap, og er unikt egnet for nanoskala forskning og utdanning. Dette systemet ble valgt ut til å bli vist frem i juni 2012 serien "Vår Digital Life" 24 på UCTV (en offentlig visning media utløp og det første universitetet drevne YouTube opprinnelige kanal).

Som både forskning og pedagogisk redskap, 3D / VR visualisering System med akselerert MD evne fremmer tverrfaglig samarbeid og integrering av forskning og ny læring tilnærminger, inkludert trener-svinestile undervisning, aktiv læring, og flere læringsstiler, herunder bruk av interaktive manualer utviklet for system 3. Gjennomføringen av 3D / VR visualisering System har resultert i fagfellevurderte publikasjoner, flere konferanserom presentasjoner, en masteroppgave, en NSF award, og tverrfaglige samarbeid.

Potensiell fremtidig utvikling og utvidelse av den beskrevne 3D / VR visualisering System kan inkludere tillegg av menystyrte verktøy innenfor NCK 3D-grensesnitt for å legge til rette for direkte interaksjon med MD-programmet (LAMMPS), mens resterende i den virtuelle virkeligheten miljø.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne hevder at de ikke har noen konkurrerende økonomiske 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.

    Video Stats