Roman 3D / MD Simülasyonlar, Görselleştirme ve Analiz VR İnteraktif Çevre

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

Son yıllarda bilgisayar (donanım ve yazılım) artan gelişimi diğerleri arasında malzeme bilimi, biyoloji, kimya ve fizik gibi birçok alanda bilimsel araştırma etkiledi. Doğru ve hızlı simülasyon ve nanoyapılarda 3D / VR görselleştirme için yeni bir hesaplama sistemi moleküler dinamik (MD) bilgisayar programı LAMMPS açık kaynak kullanarak, burada sunulmaktadır. Bu alternatif hesaplama yöntemi, geleneksel işlem yöntemleri için ortak işlem hızı engelleri aşmak için modern grafik işlemcileri, NVIDIA CUDA teknolojisi ve uzman bilimsel kodları kullanır. Malzemeleri modellemek için kullanılan bir sanal gerçeklik sistemi ile birlikte, bu geliştirme hızlandırılmış MD simülasyon yeteneği eklenmesine izin verir. motivasyon eş zamanlı görselleştirme, simülasyon, modelleme ve analiz izin veren yeni bir araştırma ortamı sağlamaktır. Araştırma amacı inorganik n yapısını ve özelliklerini incelemek içinanostructures (örneğin, silika, cam nanosprings) bu yeni hesaplama sistemi kullanılarak hazırlanabilmektedir. sunulan iş gibi fiziksel çevre gibi 3D / VR Görüntüleme Sistemi ve temel bileşenleri, önemli hususlar bir bakış açıklamasını özetliyor, yeni sistemin kurulumu ve kullanımı ile ilgili detaylar, hızlandırılmış MD geliştirme için genel bir prosedür, teknik bilgiler ve ilgili açıklamalar. Bu çalışmanın etkisi UC Merced bir araştırma ve öğretim aracı hem de bir sanal ortamda, nano malzemeler simülasyon, görselleştirme ve etkileşim birleştiren eşsiz bir hesaplama sistemi oluşturulmasıdır.

Introduction

Malzeme bilimi bilim ve mühendislik birçok alanda uygulama için maddenin yapı-özellik ilişkileri inceleyen disiplinler arası bir alandır. Yapı-özellik ilişkileri deneylere ek olarak bilgisayar simülasyonları ile incelenmiştir gibi, hesaplama araçları araştırma çabalarını artırabilir tamamlayıcı özellikler sunuyor. Nano bilim adamlarının ilgi ve onların potansiyel sosyal etkileri için kurtarıcı değere sahip iken, bu boyut rejimi, özellikle deney bulunan birçok zorluklarla doludur.

Bilgisayar simülasyonları bilim adamları ve mühendisler sadece zaman ve hesaplama kaynaklarla sınırlı ortamlarda çok çeşitli uzman testlerini gerçekleştirmek için izin verir. Moleküler dinamik (MD) simülasyonları uygun zamanı vermek ve uzunluğu birçok nanomateryallerin ilgi fenomenleri incelemek için ölçekler. Simülasyonlar t kısıtlamaları kaldırarak malzemelerin çalışma genişletmekO, ancak birçok hesaplama araçları araştırma için erişilebilir, sezgisel arayüzleri fiziksel laboratuvar eksikliği. Modellerin grafik ekran, etkin hesaplama algoritmaları, grafik ve işlem birimi (GPU) tabanlı hesaplama ile Geliştirme mevcut simülasyon çalışmalarını tamamlayacak. Bu yeni grafik cihazlar matematiksel yoğun hesaplama GPU gerçekleştirilebilir izin vermek için etkili bir merkezi işlem birimleri ile birleşir. Sonuç 20x'e kadar güç tüketiminde bir azalma eşlik 10x sırasına hesaplama etkili bir hızlanma olduğunu.

Bu araştırma projesinin amacı geliştirmek ve doğrudan MD simülasyonları, malzeme bilimi analizi ve 3 boyutlu görselleştirme için interaktif bir arayüz bağlayan nanobilim soruşturma için yeni bir araç uygulamak oldu. Benzersiz ve güçlü analiz yetenekleri ile bu yenilikçi sistem, diğer rel doğrudan etkileri olan, UC Merced de nano araştırma ve eğitim için kullanılır olmuştur eğitim ve topluma nanoteknoloji, fizik, biyoloji, jeoloji ve, ve nihai fayda olarak bir- KÖK alanları.

3D / VR Görüntüleme Sistemi hem de oluşturulmasını ve bir etkileşimli 3D sanal gerçeklik (VR) ortamında atomik yapıların manipülasyon sağlayan bir araştırma ve öğretim aracı uygulanmıştır. Sistem başlangıçta UC Davis 1 Dr. Oliver Kreylos tarafından geliştirilen modelin şu nispeten düşük maliyetli ve erişilebilir bileşenlerin bir dizi oluşturuldu.

Aşağıda etiketli önemli bileşenler (Şekil 1) ile nihai 3D / VR Görüntüleme Sistemi düzeni fotoğraf, olduğunu. Bu sistem aslında orijinal 3D / VR sisteminin uygulanması hakemli yayınlarda sonuçlandı 2009 yılında UC Merced de eğitim amaçlı kurulmuştur 2-3. Aşağıdaki Tablo 1 3D / VR Görselleştirme Sistemi her elemanı için anahtar özelliklerini özetlemektedir.

ntent "fo: keep-together.within sayfa =" always "> Şekil 1,
Şekil 1. 3D / VR Görüntüleme Sistemi ve UCM ve görselleştirme cihazlar (sağda) ile Davila Araştırma Laboratuarında ana bileşenleri (solda). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Madde Bileşen Sistemde İşlevsellik
Bir 3D TV Modellenen moleküler yapıların 3 boyutlu ekran ve ekran menüleri.
B Kızılötesi (IR) izleme kameraları 4 IR kameralar 3D TV önünde kullanıcı çalışma alanında Wiimote ve 3D görüntüleme gözlük parça pozisyonları, izin virGörüntülenen yapıların dilen 3D manipülasyon.
C Takip PC IR kamera izleme yazılımı çalıştırır ve modelleme bilgisayara Wiimote ve 3D gözlük pozisyonları iletir.
D Wiimote Modelleme yazılımı ekran yönetimi için kullanılan ve 3D sanal ortamda yapıları işlemek için.
E 3D gözlük 5 3D TV IR sinyali ile senkronize, yapının 3D görünüm sağlar. Doğru 3D görünüm IR kameralar tarafından izlenen Pozisyon.
F Modelleme Bilgisayar , NCK / VRUI 3D modelleme ve görüntüleme yazılımı 6 çalıştırır doğru 3D moleküler yapı görünümü oluşturmak için gözlük / Wiimote pozisyonu ve kontrol sinyallerini kabul eder.

UCM 3D / VR Görselleştirme Sistemi'nin ana unsurları Tablo 1. İşlevsellik.

Descriptio3D / VR Görüntüleme Sistemi ve Temel Bileşenleri n:

3D / VR Görüntüleme Sistemi Genel Bakış - 3D / VR Görüntüleme Sistemi kızılötesi kameralar ve kullanıcı etkileşimli 3D moleküler yapıları oluşturmak için izin 3D modelleme yazılımı ile birlikte çalışan izleme yazılımı bir dizi oluşur. IR kameralar ve yazılım IR işaretlerini kullanarak bir Wiimote ve 3D görüntüleme gözlük 3D konumunu izlemek ve modelleme yazılımı bu geçmek. modelleme yazılımı senkronize ve paletli 3D gözlük ile 3D özellikli geniş formatlı televizyon kombinasyonunu kullanarak görüntülenebilir 3D moleküler yapıları oluşturmak için Wiimote kontrol sinyalleri ve hareket kullanır. Bu kullanıcı dinamik oluşturmak ve modelleme yazılımı kullanılan arası atom güçlerine dayalı (Şekil 2) gerçek dünya fizik davranışı yansıtan sanal moleküler yapıları manipüle hangi içinde 3D ​​sanal gerçeklik çalışma alanında sonuçlanır. Özel consideratiBu sistemi kurmak için ons tamamlayıcı malzemeler bulunabilir.

Şekil 2,
Şekil 3D / VR Görselleştirme Sistemi kullanılarak silika nanomalzemeleri incelenmesi 2.. (A) Bir araştırmacı GPU tabanlı simülasyonlar önce ilk kristobalit modeli (kristal) oluşturur. (B) (a), başka bir araştırmacı, bir silis cam modeli (kristal olmayan) elde gösterilen model üzerinde simüle MD eritmek-söndürme işlemi gerçekleştirmeden üzerine. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

3D / VR Görüntüleme Sistemi Geliştirme - MD Simülasyon Yeteneği:

Simülasyon sistemleri yaygın bir uygulanan Moleküler dinamikÇok düğüm moda, yani, büyük bir iş yükü işlemci binlerce onlarca arasında dağıtılır veya paralelleştiriliyor. Son zamanlarda, hızlandırılmış bilimsel hesaplama için ek fırsatlar bilgisayar grafikleri işleme gelişmelerin dışında ortaya çıkmıştır. Bu gelişmeler bilim adamları grafik yongaları içsel işlem gücü son derece paralel doğa yararlanmak için izin bir yazılım arayüzü vardır. Compute Unified Cihaz Mimarlık veya CUDA 7 gelişiyle birlikte, bilim adamları altyapı maliyetini azaltırken sorunlar çözüldü hızını artırmak için GPU'ları 8 kullanabilirsiniz. Tipik bir GPU bilgileri işlemek için çekirdek binlerce ya da "düğümler" için yüzlerce eşdeğer olabilir ve bunlar her paralel olarak kullanılabildiği gibi, bir de-kodlu çözüm, çok çekirdekli karşısında çıktı ivme 1,000x kadar sağlayabilir . Her sorunun bu yaklaşım çok uygundur olmasa da, mevcut MD simülasyonları 15 kadar gördükx verim performansı 9 kazanır. 3D / VR görüntüleme sistemi MD-GPU donanıma Detaylar tamamlayıcı malzemeler bulunabilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Modelleme PC'de 3D / VR Modelleme Yazılımı Yükle

  1. (Ubuntu x86 / AMD64 donanım bağlı) modelleme PC'de Linux tabanı işletim sistemini yükleyin.
  2. Linux tabanı işletim sistemini değiştirin.
    1. Kütüphaneler kurun ve gerektiği gibi işlevler eklemek.
  3. VRUI ve NCK 3D / Modelleme PC 6 VR modelleme yazılımı yükleyin.
    1. Tüm modelleme yazılım bileşenlerinin en son sürümlerini edinmek için ilgili web sitelerini 1,6 edin.
    2. Derlemek yapılandırmak ve VRUI test edin.
    3. Yükleme ve NCK test edin.

2. Takip Sistemi 1 Kurma

  1. Montaj IR İzleme Kameralar 4
    1. En iyi kapsama alanı için tavana yakın 3D TV ön kenarı üzerinde doğrudan bir sert kamera süspansiyon çerçevesini oluşturun. Doğrudan ön köşeleri ve 3D TV ön orta yukarıdaki döner bağlar Mount 3 kameralar. Emin olun her kameranın kapsama açısı sadece gTV'nin ön yüzeyini Razes.
    2. 3D TV karşısında en geniş kapsama açısı (45 derece) paralel olması kameraları hedefleyin. 3D TV karşısında dik bir dar kapsama açısı (30 derece) kullanın. İstenen 3D çalışma alanı içinde maksimum örtüşme için izin verin. Emin olun nesneleri başarıyla takip edilecek en az iki kamera (Şekil 3) görünümünde.
      Şekil 3,
      Şekil 3. IR izleme kamera kapsama TV önünde 3D ​​çalışma alanını maksimize etmek. Parçalar (A) ve (B) 3D / VR Görselleştirme Sistemi saygı ile ön ve yan görünümü göstermek. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayınız .
  2. Yeterli oluşturmak için gerekirse alternatif kamera yerleştirme ile deneme3D çalışma alanı. Dikey kamera montaj mesafesi kısıtlı ise bu gerekli olabilir.
  3. Yükleme ve Kalibre Takip Yazılımı
    1. Verilen kurulum kılavuzu kullanarak izleme bilgisayarda OptiTrack Katı Cisim Toolkit takın.
    2. Set Eşik, Pozlama, Işık çevreye bağımlı değerleri ve izleme yazılımı talimatlarında ayrıntılı olarak, yüksek Yakalama Kalite ayarlayın.
    3. Değnek Yakalama için, 3D çalışma alanından diğer tüm yansıtıcı malzeme çıkarmak için dikkatli olun. Yansıtıcı değnek ile kamera örtüşme çalışma alanı boyunca düzgün hareket. Standart kadar tekrarlayın ve "0.5" Aşağıdaki hataları anlamına ardından kalibrasyon dosyasını kaydetmek elde edilir.
    4. Bir izlenen 3D çalışma alanı koordinat sistemi kökenli kurmak için zemin düzlemini ayarlayın. Izleme yazılımı talimatlarında ayrıntılı olarak tanımlayın Wiimote ve 3D gözlük nesneleri paletli.
  4. Komple VRUI Kalibrasyon
    1. Trackin kabul VRUI ayarlamaizleme bilgisayardan g bilgiler.
    2. DeviceTest kalibrasyon programını kullanarak VRUI işlevselliği izleme doğrulayın.
    3. Koordinat sistemleri VRUI 3D ekran ve izleme yazılımı hizalayın.
    4. AlignTrackingMarkers hizalama yazılımı kullanılarak izlenir Wiimote ve 3D gözlük seti yönelim.

3. Kullanım 3D Modelleme Sistemi hazırlayın

  1. Başlamadan önce, tüm yansıtıcı takı (yani, saatler, küpe, metal, vb) çıkarın. Ekranda odaklanmak için gerekli düzeltici gözlük çıkarmayın.
  2. 3D / VR Görselleştirme Sistemi için ekipman monte:
    1. Modelleme Bilgisayar
    2. Takip bilgisayar
    3. Geniş formatlı 3D özellikli TV
    4. Modelleme bilgisayar ve 3D TV arasındaki video kablosu
    5. 3D TV için 3D IR verici
    6. Modelleme ve izleme bilgisayarlar için Ethernet kabloları
    7. Izleme boynuzları ile Wiimote (kontrolör)
    8. Izleme boynuzları ile 3D gözlük (3D gözlük) 5
  3. Dikkatle dokunmak veya ona bağlı küresel IR izleme işaretçileri hareket özen, modelleme bilgisayardan kolayca ulaşılabilir denetleyicisi yerleştirin.
  4. Dikkatle (daha önce olduğu gibi yansıtıcı belirteçleri dokunmamak için emin olun) TV standı 3D gözlük yerleştirin.
  5. OFF açıkken, izleme bilgisayarda 3 adet USB portu 3D TV üzerine monte kızılötesi kameralardan üç USB kablolarını bağlayın.
  6. 3D TV uzaktan kumanda bulun ve 3D televizyonun önünde yerleştirin.
  7. Modelleme bilgisayarda ekran kartı ve 3D TV'nin video girişine video kablosunu bağlayın. Ayrıca 3D TV 3D senkronizasyon çıkış için 3D IR verici bağlamak ve TV verici gözlük kullanılacak yere doğru yukarı işaret TV'nin yakın tarafı durmak yerleştirin. Kalibre TV'nin konumunu kaydırmaya DEĞİL ÇOK DİKKATLİ OLUN.
  8. Tr modelleme bilgisayarda açmadan önce 3D TV AÇINbilgisayar tarafından emin doğru tanıma.
  9. Modelleme bilgisayarı açın. Bir oturum açma istemine modelleme bilgisayar çizmeler sonra, uygun bir hesaba modelleme, bilgisayar Linux sistemine giriş.
  10. Modelleme bilgisayar masaüstü kullanılabilir olduğunda, "bilgi / i" düğmesine basarak video kablosu bağlantısının durumunu kontrol etmek 3D TV uzaktan kumandasını kullanın. Emin olun sol üst köşesinde TV ekranı "1920x1080 @ 60hz". Değilse, 3D TV doğru tanınmasını kurmak için modelleme bilgisayarı yeniden başlatın. Ayrıca TV uzaktan kumanda kurulum menüleri kullanarak, 3 boyutlu çıkış MODE 2 olduğundan emin olun.
  11. Modelleme Bilgisayar masaüstünde, çeşitli sekmeler ile bir terminal penceresi açın.
  12. Izleme bilgisayarda, bir komut penceresinde "ipconfig" yazarak ethernet adaptörü IP adresini doğrulayın.
  13. Modelleme bilgisayarda, bir terminal penceresi sekmesini açın ve VRDevices.cfg dosya içinde kontrol edin "sunucuAdı" tanımlarizleme, bilgisayar ethernet adaptörü IP adresi.
  14. Gerekirse, izleme, bilgisayar ethernet adaptörü maç VRDevices.cfg içinde "sunucuAdı" IP adresini değiştirebilir ve VRDevices.cfg kaydedin.
  15. Izleme bilgisayarda, OptiTrack Katı Cisim Aracı yazılımı başlatmak.
  16. Yazılım sonra, tamamen açık "Yük Kalibrasyon Sonucu" etiketli üst menüden yakın büyük düğmesini tıklatın izin verin.
  17. Göz atın ve uygun kamera kalibrasyon dosyasını açın.
  18. Dosya yüklendikten sonra, "Dosya" menüsünü tıklatın ve "Yük katı cisim tanımları" seçeneğini seçin.
  19. Gidin ve paletli kontrolör ve 3D gözlük için uygun rijit gövde tanım dosyasını açın.
  20. Izleme yazılımı sağdaki bölmesinde, ardından "Geniş kontrol listelenen port numarası 3883 olduğunu doğrulayın," Akış "etiketli bölümünü bulun" VRPN izle "kategorisinde bölümü ve genişletmekVRPN Akış Motor "kategorisinde" içinde kutuyu "çerçeve verileri attı.
  21. Modelleme Bilgisayarda, kontrolör doğrudan el ya da (2 sn uzakta en) hemen ulaşılabilir ya olduğundan emin olun.
  22. Modelleme bilgisayarda, daha önce bu oturumda oluşturulan terminal penceresinde bir sekme açın ve gidin ve ardından "./VRDeviceDaemon" yazarak, örneğin, VRDeviceDaemon yazılımını başlatmak.
  23. Istemini takip etkinlik başarılı olursa, pencere şimdi gösterecektir "basın düğmeleri aynı anda Wiimote 1 & 2." "VRDeviceServer: istemci bağlantısı için bekliyorum".

NCK Yazılım Kullanma 4. Test 3D / VR Görüntüleme Sistemi

Aşağıdaki talimatlarda oluşturmak ve bir karbon nanotu işlemek nasıl kontrolör aracı işlevlerini kurmak için NCK yazılımı ekrandaki menüleri kullanın ve nasıl özetliyorkurucu karbon atomları (Şekil 4) 3D / VR çalışma alanında olmak. Elde edilen bağ açıları ve mesafeleri (Adım 4.4.10) ölçmek için nasıl talimatlar 10 çevrimiçi mevcuttur.

Şekil 4,
Karbon nanotüpler çalışma 3D / VR Görselleştirme Sistemi (CNT) kullanarak Şekil 4. Lisans öğrenci Fotoğraflar (A) -.. (F) bir tek-duvarlı CNT bina sürecini göstermek , bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayınız .

  1. Adım 3.11 oluşturulan modelleme bilgisayar terminal penceresinde içinde, üçüncü sekmesini seçin. NCK kurulum dizini ve türü gidin, NCK yazılımını başlatmak için:
    "./NanotechConstructionKit -rootSection localhost -domainsize 36 ".
  2. Dokunmayın veya ekli izleme işaretçileri gevşetmek için çok dikkatli olmak, 3D gözlük koymak ve denetleyici pick up. 3D gözlük sağlamak için kafa / goggle izleme konumunu ayarlayın TV ekranının 3D / VR görüntüleme sağlayan, senkron sinyali vericisi 3D TV IR alıyorsunuz.
  3. Amacıyla aşağıdaki gibi kumanda üzerindeki düğmeleri NCK komut dernekleri, atomları hareket ve silme, ekleme atamak için bir araç seti var:
    1. Daha sonra Home tuşuna bırakmadan, presleme ve Wiimote Home tuşuna basılı tutarak, gezinme ve "Araçlar geçersiz kıl" menü öğesini seçerek ana NCK ekran menüsünü getirmek. Bu birbirinden bağımsız denetleyici üzerinde farklı düğmelere komutlar atanmasına olanak verir.
    2. NCK'nın, basın içindeki atomları manipüle eylem ile (kontrolör altındaki) Wiimote tetik düğmesine ilişkilendirmek ve tetikleyici düğmesini basılı tutun, # için & ekrandaki NCK menüsünde gezinmek8220, Dragger "ve" 6 serbestlik dereceli Dragger, "sonra tetiği bırakın. Tetik şimdi atomları manipüle eylem ile ilişkilidir.
    3. Wiimote üzerinde "+" düğmesine bir atom ekleme işlevini atamak için, presleme ve Home tuşuna basılı tutarak ana menü yukarı getirmek için "Yapısal Birim Tipleri" gezinmek ve "Üçgen" seçeneğini, ardından Ana düğmesini bırakın .
    4. Sonraki basın ve "+" düğmesini basılı tutun "Dragger," gidin ve "6 serbestlik dereceli Dragger," sonra "+" düğmesini bırakın. "+" Düğmesi artık seçilen Çeşidi yeni atomları (bu durumda üçgen tarafından temsil karbon atomu) oluşturma ile ilişkilidir.
    5. "-" Bir atom silme işlevini atamak için Wiimote düğmesini, "Yapısal Birim Tipleri", sonra gidin, presleme ve "Ev" düğmesine basılı tutarak Ana menüyü ekrana getirmek ve & #8220; Seçili Birimleri Sil, "daha sonra Ana düğmesini bırakın.
    6. Sonraki, basın ve basılı tutun - "Dragger," sonra "6 serbestlik dereceli Dragger," gidin ve bırakın, lütfen "-" butonuna "". "-" Düğmesi artık silme atomları ile ilişkilidir.
    7. "1" Wiimote butonu "Lock Seçilen Birimleri" nin işlevlerini atamak için benzer bir prosedür takip ve "2" denetleyici butonu "Seçili Birimleri kilidini".
  4. Kumanda düğmeleri yapılandırılmış edildikten sonra, aşağıdaki gibi NCK kullanarak karbon nanotüp oluşturun:
    1. "+" Düğmesini kullanarak, NCK çalışma alanına iki 3-bağ üçgen karbon atomu ekleyin. Onlar bir köşenin de katılmak kadar bu tetikleyici düğmesini kullanarak işleyin.
    2. Bir altıgen yıldız şekli oluşturmak için 4 daha fazla karbon atomu ekleyin.
    3. "Ev" menüsünü kullanarak, "I / O Menüler", ardından "Kaydet Birimleri gidin.
    4. Uzakta bugünkü konumundan 6 sivri yapı taşı.
    5. "Ev" menüsünü kullanarak, "I / O Menüler", daha sonra "Load Birimleri gidin.
    6. Altıgen 6-atom halkalar 6 6 sayfalık (Şekil 5A) oluşturuluncaya kadar, son 2 adımları tekrarlayın.
    7. "1" düğmesini kullanarak, bir üst satırda atomu ve alt satırda bir karşıt atom kilitleyin. kilitli atomlar bir pembe renk (Şekil 5B) ile işaretlenmiş olacaktır.
    8. Serbest köşe karşı kilitli atomun serbest köşe yaklaşımlar kadar tetik düğmesini kullanarak, dikkatli bir dairesel yay kilitli atomların birini taşımak. Onlar atom cazibe onları bir bağ (Şekil 5C) ile katılmak neden olacağını yeterince yakın olduğunda bir yeşil hat köşe arasındaki görünür. Bir kez başarıyla katıldı, "2" düğmesini kullanarak atomların ikisi kilidini.
    9. Benzer şekilde, kilitleme katılmadan, ve açma atom Sür karşı devamgöçmenlik ve karbon levha, etkili bir şekilde nihai karbon nanotüp (Şekil 5D-5F) içine levha "sıkıştırma".
      Şekil 5,
      Şekil 5. Adım-bilge yaratılışı tek duvarlı CNT gösteren karşı daha kolay manipülasyon izin (pembe üçgen olarak gösterilen) "kilitli" (A) karbon atomu karşı altıgen karbon halkaları 6 x 6 levha (grafen), (B) gerçekçi arası kuvvetler, karşılıklı yanları üzerinde atomları arasındaki bağ izin vermek için dikkatli bir şekilde kavisli bir karbon (C) (grafin) tabaka (D), bundan başka, karbon tabaka eğrilik yardımcı olmak için kilitli iki ek karşıt C-atomlu alkil, (e) ek karşı C-atomuna karbon devam bağlanmış Bir nanotüp ve (F) son CNT içine sac eğriliği orijinal c karşıt atomların sıralı bağ sonra oluşanarbon levha (grafen). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
    10. Nanotüp tamamlandığında, yapısal açıları ve mesafeleri 10 onaylamak için ekrandaki ölçüm araçlarını kullanın.

Moleküler Dinamik Simülasyon Modelleri 5. Görselleştirme

  1. (Şekil 2A bakınız) 3D / VR NCK yazılımı içine bir başlangıç ​​kristal SiO 2 kübik modeli İthalat ve ilk yapıyı araştırmak.
  2. Açık kaynak programları 11 ve LAMMPS 12 çünkü bu araştırma odak için çok uygundur özelliklerin hedeflenmiştir MDCASK. İkinci program kendi çeşitli atomlar potansiyeller ve GPU hesaplama yeteneği verilen bu çalışmada kullanılmıştır. LAMMPS MD paketi 12 kullanılarak, / bir simüle eriyik çalıştırmak amorf bir SiO 2 st üretmek için bu ilk yapıya prosedürü gidermek kezlerinin. Bu taklit prosedür Detaylar önceki yayınlarda 13-15 bulunabilir.
  3. 3D / VR NCK yazılımı içine sonuçlanan yeni amorf (düzensiz) SiO 2 modeli İthalat ve yapısını araştırmak (Şekil 2B bakınız).
  4. Yeni amorf katı kullanılarak açık kaynak kodu NanospringCarver 16 ve ilgili öğretim belgeler 17 (Şekil 6) dışında bir SiO 2 nanospring / nanoribbon oluşturun. Şekil 6,
    NanospringCarver programını kullanarak bir nanospring oluşturulmasında farklı aşamalarında adım adım atomu seçim süreci Şekil 6. Çizim parçaları. (A - B) işaret etmektedir,% 25,% 50, bu işlemin% 75 ve% 100 tamamlama 17.target = "_ blank"> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için burayı tıklayınız.
  5. Nanospring / nanoribbon (Şekil 7) çekme simülasyonları gerçekleştirmek için LAMMPS MD paketini kullanın. Bu prosedür Ayrıntılar önceki yayında 15 bulunabilir.
    Şekil 7,
    LAMMPS MD silika sarmal nanoyapı (nanoribbon) gerilme simülasyon sonuçlarından Şekil 7. Anlık görüntü.
  6. 3D / VR Görselleştirme Sistemde sunum için, bu simülasyon (Animasyonlu Şekil 1) boyunca anlık ve sarmal nano animasyon oluşturmak için açık kaynak yazılım araçları VMD (Visualize Molecular Dynamics) 18 ImageMagick 19, ve FFmpeg 20 kullanın. tıklayınız Daha büyük bir v görüntülemek içinBu rakamın ersion.

Hareketli Şekil 1 sarmal nanoyapı çekme simülasyon. Animasyon.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bu 3D / VR Görüntüleme Sistemi malzeme bilimi çalışmaları yürütmek için yeni fırsatlar sunuyor. Bu sürükleyici ortamda gerçek zamanlı olarak çalışır gibi, 3D giriş ve ekran şeklinde, araştırmacı tamamen interaktif nano skalasındaki alet 2 ile sunulmaktadır. Burada sunulan protokolü takip ederek, bir silika sarmal nanoribbon bu adım-adım moda kuruldu. LAMMPS MD üretilen bu yapının bir anlık Şekil 7 'de gösterilmiştir. Bu yapı, simüle gerilme testine tabi tutulmuş ve bu simülasyon sonuçlan, gerilme kuvvetleri altında yapının yeniden düzenlenmesi ve başarısızlık göstermektedir Hareketli, Şekil 1' de gösterilmiştir.

Gerçek zamanlı etkileşim ve güçlü MD simülasyonları 15 ile sürükleyici bir ortamın görsel doğasını birleştirerek, araştırmacılar sezgisel kontrol ve tam özellikli analiz yararlanabilir.

ThMD yeteneği ile e gelişmiş 3D / VR Görüntüleme Sistemi iyice test edilmiş ve amorf silis nanotellerin, nanoribbons ve nanosprings 15 gerilme simülasyonları odaklanarak, UC Merced de Davila Lab nanobilim araştırma uygulanmıştır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

3D / VR Görselleştirme Sistemi başarılı kurulum ve kullanım Kritik elemanlar Fiziksel Çevre ve Tasarım Hususlar ve ek malzemelerin özel Hususlar ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Önemli Montaj hususlar rahat uzun süreli ayakta veya oturarak kullanım için 3D görüntü yüksekliği dahil, IR-yansıtıcı unsurların geniş bir 3D çalışma alanı, istikrarlı izleme kamera ve zamanla yapılandırmasını korumak için 3D ekran desteği, ve kaldırma oluşturmak için kamera monte yükseklik izleme maksimize 3D çalışma alanından. Kurulum talimatlarında belirtildiği gibi mevcut izleme kamera montaj yüksekliği kısıtlı ise, alternatif kamera yönelim büyük 3D çalışma alanı oluşturmak için gerekli olabilir.

Izleme yazılımı yapılandırması sırasında, değnek yakalama aşaması son izleme doğruluğu için önemlidir. Bakım yansıtıcı değnek thor taşımak için alınması gerekenğı ile ve sorunsuz izleme kamera örtüşme alanı boyunca gerekli hata değerleri elde kadar gerekli Bu adımı tekrarlayarak, herhangi bir kamera engelleme veya herhangi bir ikincil yansıtıcı bir nesne tanıtan olmadan. Yukarıda belirtilen bölümlerde belirtildiği gibi, sistem kullanımı sırasında 3D senkronizasyon IR sinyali ile izleme IR sinyalinden parazitleri engellemek için 3D gözlük küçük bir kalkan oluşturmak için önemli olabilir, ve en üst düzeye çıkarmak için taze 3D gözlük pil kullanmak için 3D senkronizasyon goggle. Ayrıca, tutarlı bakım dokunmayın veya 3D goggle ve Wiimote IR-yansıtıcı küreler, değiştirebilir ve fiziksel doğru 3D izleme ve görüntüleme sağlamak için izleme kamera veya 3D görüntü pozisyonları vardiya değil değil alınmalıdır.

Yeni ha yaklaşır ise önceki diğer çalışmalar (VMD, biyomoleküler sistemleri 21 için popüler bir moleküler görüntüleme ve modelleme yazılımı ile, örneğin) MD ve gerçek zamanlı etkileşim odaklanmıştırA.Ş. diğer kullanıcı arayüzleri uygulanan ve 3D jest ve ses 22 kontrol eder. Başka bir grup 23 nanosistem içinde potansiyel enerji ve atomlar arası kuvvetleri güncellemek için uyarlanabilir, artan algoritmalar entegre bir yazılım yarattı. bu LAMMPS açık kaynak kodu 12 üzerinden sanal gerçeklik ortamında etkileşim ve MD simülasyonları yeteneği ile, açık kaynak kodlu yazılım NCK 6 üzerinden nanomateryallerin 3D görselleştirme oluşur bu çalışmada açıklanan sistem, belirli bir hedef içerir. Çeşitli sağlam atomlar potansiyeller nanomalzemeleri çalışma mevcuttur çünkü bu kod malzeme bilimi araştırma için, esneklik sağlar. Böylece, bu işin sistem diğer bazı yaklaşımlar olarak, ancak nano ölçekli malzeme araştırmalarında odaklanarak MD simülasyon ve etkileşim benzer unsurları içerir.

Burada anlatılan 3D / VR Görselleştirme Sistemi önemi bir, bunu kurmak için basit ve düşük maliyetli olduğunudaha pahalı özel sürükleyici ortamlarda daha ortalama araştırmacı veya eğitimci için kullanmak d daha esnek. GPU hızlandırmalı MD simülasyon yeteneği eklenmesi laboratuvar içinde bir enerji ve uzay tasarrufu, yüksek performanslı bilgi işlem ortamı yaratmak için bu hızla gelişen bilgisayar teknolojisi yararlanır. Gelişmiş analiz yetenekleri ile birleştiğinde Bu yeni sürükleyici alet güçlü ve malzeme bilimi gibi alanlarda kullanılmak için verimli ve nano ölçekli araştırma ve eğitim için çok uygundur. Bu sistem Haziran 2012 serisi UCTV üzerinde "Bizim Dijital Yaşam" 24 (kamu-hizmet medya çıkış ve ilk üniversite tarafından işletilen YouTube orijinal kanal) sergilenecek seçildi.

Bir araştırma ve eğitim aracı olarak hem hızlandırılmış MD yeteneği ile 3D / VR Görüntüleme Sistemi antrenörü-arpacık dahil disiplinlerarası işbirliği ve araştırma ve yeni öğrenme yaklaşımları entegrasyonu, teşvikle öğretim, aktif öğrenme, ve sistemin 3 için geliştirilen interaktif kılavuzları kullanımı da dahil olmak üzere birden fazla öğrenme stilleri. 3D / VR Görselleştirme Sistemi uygulaması hakemli yayınlar, çeşitli konferans sunumları, yüksek lisans tezi, bir NSF ödülü ve disiplinler arası işbirliği sonuçlandı.

Potansiyel gelecekteki kalkınma ve tarif 3D / VR Görselleştirme Sistemi genişleme sanal gerçeklik ortamında kalırken, MD programı (LAMMPS) ile doğrudan etkileşim kolaylaştırmak için NCK 3D arayüzü içinde menü tabanlı araçlar eklenmesini içerebilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar hiçbir rakip mali çıkarlarını olduğunu beyan ederim.

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