Roman 3D / VR environnement interactif pour MD simulations, visualisation et d'analyse

1Materials Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced
Engineering

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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).

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Abstract

Le développement croissant de l'informatique (matériel et logiciel) dans les dernières décennies a eu un impact de la recherche scientifique dans de nombreux domaines, y compris la science des matériaux, la biologie, la chimie et la physique parmi beaucoup d'autres. Un nouveau système de calcul pour la simulation précise et rapide et 3D / VR visualisation des nanostructures est présenté ici, l'aide de l'open-source dynamique moléculaire (MD) programme informatique LAMMPS. Cette méthode de calcul alternatif utilise des processeurs graphiques modernes, la technologie NVIDIA CUDA et codes scientifiques spécialisés pour surmonter les obstacles de vitesse de traitement communs aux méthodes de calcul traditionnelles. En conjonction avec un système de réalité virtuelle utilisée pour modéliser les matériaux, cette amélioration permet l'ajout de capacité de simulation MD accéléré. La motivation est de fournir un environnement de recherche roman qui permet simultanément la visualisation, la simulation, la modélisation et l'analyse. L'objectif de la recherche est d'étudier la structure et les propriétés de l'azote inorganiqueanostructures (par exemple, nanosprings de verre de silice) dans des conditions différentes en utilisant ce système de calcul innovante. Le travail présenté décrit une description du système de visualisation 3D / VR et les composants de base, un aperçu des considérations importantes comme l'environnement physique, de détails sur la configuration et l'utilisation du nouveau système, une procédure générale pour l'amélioration MD accélérée, informations techniques et remarques pertinentes. L'impact de ce travail est la création d'un système informatique unique combinant des matériaux à l'échelle nanométrique simulation, la visualisation et l'interactivité dans un environnement virtuel, qui est à la fois un instrument de recherche et d'enseignement à l'UC Merced.

Introduction

La science des matériaux est un domaine interdisciplinaire qui examine les relations structure-propriété dans la matière pour leur application à de nombreux domaines de la science et de l'ingénierie. Comme les relations structure-propriété sont étudiées par des simulations informatiques, en plus de l'expérimentation, des outils informatiques offrent des caractéristiques complémentaires qui peuvent améliorer les efforts de recherche. Alors que les nanomatériaux sont d'intérêt pour les scientifiques et ont une valeur rédemptrice pour leur impact social potentiel, ce régime de taille se heurte à de nombreux défis trouvés notamment dans l'expérimentation.

Les simulations informatiques permettent aux scientifiques et ingénieurs d'effectuer des tests spécialisés dans une grande variété d'environnements limités seulement par le temps et les ressources de calcul. Dynamique moléculaire (MD) simulations permettent en temps opportun et des échelles de longueur d'étudier les phénomènes d'intérêt dans de nombreux nanomatériaux. Simulations développer l'étude des matériaux en éliminant les contraintes de til laboratoire de physique, mais de nombreux outils informatiques manquent accessibles, des interfaces intuitives pour la recherche. Amélioration de l'affichage graphique des modèles, algorithmes de calcul efficaces, et l'unité de traitement graphique (GPU) informatique basée compléter les efforts actuels de simulation. Ces nouveaux dispositifs graphiques combinent avec des unités centrales de traitement efficace pour permettre des calculs mathématiques intensifs à accomplir par le GPU. Il en résulte une accélération efficace de calcul de l'ordre de 10x accompagnée d'une réduction de la consommation de puissance allant jusqu'à 20x.

Le but de ce projet de recherche était de développer et mettre en œuvre un nouvel outil pour les enquêtes sur les nanosciences qui se connecte directement une interface interactive à des simulations MD, l'analyse en science des matériaux et la visualisation 3D. Ce système innovant avec des capacités uniques et puissantes analyse a été utilisé pour la recherche à l'échelle nanométrique et de l'éducation à l'UC Merced, avec des implications directes à d'autres rel domaines de la tige és tels que la nanotechnologie, la physique, la biologie et la géologie et bénéfice ultime à l'éducation et la société.

Le système de visualisation 3D / VR a été mis en œuvre à la fois comme un instrument de recherche et d'enseignement qui permet la création et la manipulation de structures atomiques dans une réalité virtuelle 3D interactive (VR) environnement. Le système a été créé à partir d'un ensemble de coût relativement faible et les composants accessibles suivant le modèle développé à l'origine par le Dr Oliver Kreylos à l'UC Davis 1.

Ci-dessous une photo de la mise en page finale 3D / Système de visualisation VR, avec des composants importants marqués (Figure 1). Ce système a été initialement créé à des fins d'éducation à l'UC Merced en 2009. La mise en œuvre du système 3D d'origine / VR a donné lieu à des publications évaluées par les pairs 2-3. Tableau 1 ci-dessous résume les principales caractéristiques pour chaque élément du système de visualisation 3D / VR.

MÉNAGEMENT "fo: keep-together.within-page =" always "> Figure 1
Figure 1. 3D / Système de visualisation VR et composantes principales (gauche) dans le Laboratoire de recherche Davila à UCM et les dispositifs de visualisation (à droite). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Article Composant Fonctionnalité dans le système
Un TV 3D Affichage 3D de structures moléculaires modélisées et les menus à l'écran.
B Infrarouge (IR) caméras de suivi 4 Caméras IR positions de piste des lunettes de vision Wiimote et 3D dans le mode d'espace de travail en face de la télévision 3D, permettant virTual manipulation 3D des structures affichées.
C Suivi PC Exécute IR logiciel de suivi de la caméra et transmet positions de lunettes Wiimote et 3D à l'ordinateur de modélisation.
Wiimote Utilisé pour la gestion à l'écran de logiciels de modélisation et de manipuler des structures dans un environnement virtuel en 3D.
E Lunettes 3D 5 Synchronisé avec le signal TV 3D IR, permettra vue 3D de la structure. Position suivis par les caméras IR pour vision précise de 3D.
Fa Modélisation PC Exécute NCK / VRUI modélisation 3D et l'affichage des logiciels 6, accepte les signaux lunettes / position et de contrôle Wiimote pour créer précise vue 3D de la structure moléculaire.

Tableau 1. Fonctionnalité des principaux éléments du système de visualisation 3D / VR au UCM.

Description du système de visualisation 3D / VR et composants de base:

/ VR Visualisation Présentation du système 3D - La 3D / VR Visualization System se compose d'un ensemble de caméras infrarouges et un logiciel de suivi fonctionnant en liaison avec le logiciel de modélisation 3D pour permettre à un utilisateur de créer de façon interactive 3D des structures moléculaires. Les caméras et les logiciels IR suivre la position 3D d'une Wiimote et 3D lunettes de vision en utilisant des marqueurs infrarouges, et passent à présent le logiciel de modélisation. Le logiciel de modélisation utilise les signaux de commande Wiimote et le mouvement pour générer des structures moléculaires 3D visible en utilisant la combinaison d'un grand format de la télévision 3D avec des lunettes 3D synchronisés et à chenilles. Il en résulte un espace de travail 3D réalité virtuelle à l'intérieur de laquelle l'utilisateur peut créer et manipuler dynamiquement les structures moléculaires virtuelles qui reflètent le comportement physique du monde réel sur la base de forces inter-atomiques utilisés dans le logiciel de modélisation (figure 2). Considerati spécialesons pour la mise en place de ce système peut être trouvé dans les matériaux supplémentaires.

Figure 2
Figure 2. Étude nanomatériaux de silice en utilisant le système de visualisation 3D / VR. (A) Un chercheur crée un modèle de cristobalite initial (cristallin) avant simulations à base de GPU. (B) Lors de l'exécution d'une procédure simulée MD fondre trempe sur le modèle représenté en (a), un autre chercheur obtient un modèle de verre de silice (non cristalline). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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

Dynamique moléculaire des systèmes de simulation sont couramment mises en œuvre dans unMode multi-nodal, ce est une grande charge de travail est distribué ou parallélisée parmi des dizaines de milliers de processeurs. Récemment, des possibilités supplémentaires pour le calcul scientifique accélérée ont surgi sur l'évolution du traitement de l'infographie. Ces progrès incluent une interface logicielle permettant aux scientifiques de profiter de la nature hautement parallèle de la puissance de traitement intrinsèque à puces graphiques. Avec l'avènement de l'Unified Device Architecture Compute ou CUDA 7, les scientifiques peuvent utiliser les GPU 8 pour améliorer la vitesse à laquelle les problèmes sont résolus, tout en réduisant le coût des infrastructures. Un GPU typique peut avoir l'équivalent de centaines de milliers de noyaux ou «nœuds» de traitement des informations, et comme ceux-ci peuvent être utilisés chacun en parallèle, une solution bien codée peut fournir jusqu'à 1,000x accélération débit contre son homologue multi-core . Bien que pas tous les problèmes est bien adapté à cette approche, simulations de DM actuelles ont vu jusqu'à 15x performances débit gagne 9. Détails sur le système de visualisation MD-GPU amélioration 3D / VR peuvent être trouvés dans les matériaux supplémentaires.

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Protocol

1. Installez 3D / VR logiciel de modélisation sur la modélisation PC

  1. Installer Linux système d'exploitation de base sur la modélisation PC (Ubuntu x86 / AMD64 en fonction du matériel).
  2. Modifier LINUX système d'exploitation de base.
    1. Installez les bibliothèques et ajouter des fonctionnalités que nécessaire.
  3. Installez VRUI et NCK logiciel de modélisation VR sur la modélisation 3D PC 6 /.
    1. Consultez les sites Web liés 1,6 pour obtenir les dernières versions de tous les composants logiciels de modélisation.
    2. Compiler, configurer et tester VRUI.
    3. Installer et tester NCK.

2. Mettre en place une système de suivi

  1. Mont suivi caméras IR 4
    1. Créer un cadre caméra suspension rigide directement au-dessus du bord avant de la TV 3D près du plafond pour une meilleure couverture. Monter trois caméras sur monte directement au-dessus des coins avant et le centre avant du téléviseur 3D pivotantes. Veiller à ce que l'angle de couverture de chaque appareil photo juste grase la surface avant du téléviseur.
    2. En orientant les caméras à avoir le plus grand angle de couverture (45 °) parallèlement à la face de la télévision 3D. Utilisez un angle de couverture étroite (30 °) perpendiculaire à la face de la télévision 3D. Autoriser de chevauchement maximum dans l'espace de travail 3D souhaitée. Assurer objets sont en vue d'au moins deux caméras pour être suivis avec succès (Figure 3).
      Figure 3
      Figure 3. de couverture de la caméra IR de suivi afin de maximiser l'espace de travail 3D en face de la télévision. Pièces (A) et (B) montrer de face et de côté par rapport du Système de visualisation 3D / VR. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure .
  2. Expérimenter avec le placement de la caméra suppléant si nécessaire pour créer un adéquateEspace de travail 3D. Cela peut être nécessaire si la distance de montage de caméra verticale est limitée.
  3. Installez et Calibrer Tracking Software
    1. Installez le OptiTrack rigide Toolkit d'administration sur l'ordinateur à l'aide de suivi manuel d'installation inclus.
    2. Set Seuil, exposition, éclairage valeurs dépendantes sur l'environnement et définir la qualité de capture à élevé, comme indiqué dans les instructions du logiciel de suivi.
    3. Pour la capture de Baguette, veillez à retirer tous les autres matériau réfléchissant de l'espace de travail 3D. Passer en douceur à travers la caméra se chevauchent la zone de travail avec la baguette de réflexion. Répétez l'opération jusqu'à standard et erreurs ci-dessous "0.5" signifie sont obtenus puis enregistrez le fichier d'étalonnage.
    4. Définir le plan de masse d'établir un espace de travail 3D suivis origine des coordonnées du système. Définir les lunettes 3D Wiimote et suivi des objets comme indiqué dans les instructions du logiciel de suivi.
  4. Complete VRUI étalonnage
    1. Réglez VRUI à accepter tracking informations de l'ordinateur de suivi.
    2. Vérifiez fonctionnalité de suivi en utilisant VRUI DeviceTest utilitaire de calibrage.
    3. Alignez affichage VRUI 3D et un logiciel de suivi des systèmes de coordonnées.
    4. Réglez l'orientation de suivis des lunettes 3D à l'aide de la Wiimote et AlignTrackingMarkers logiciels d'alignement.

3. Préparer système de modélisation 3D pour utilisation

  1. Avant de commencer, enlevez tous les bijoux réfléchissant (ce est à dire, montres, boucles d'oreilles, métaux, etc.). Ne retirez pas de verres correcteurs nécessaires pour se concentrer sur l'écran.
  2. Assembler le matériel pour le système de visualisation 3D / VR:
    1. ordinateur de modélisation
    2. Logiciel de suivi
    3. Grand format compatible 3D TV
    4. Le câble vidéo entre l'ordinateur de modélisation et de la télévision 3D
    5. Émetteur IR 3D pour la télévision 3D
    6. câbles Ethernet pour les ordinateurs de modélisation et de suivi
    7. Wiimote avec bois de suivi (contrôleur)
    8. Lunettes 3D avec bois de suivi (lunettes 3D) 5
  3. Placez délicatement contrôleur où il peut être facilement accessible depuis l'ordinateur de modélisation, en prenant soin de ne pas toucher ou déplacer les marqueurs sphériques de suivi IR qui lui sont attachés.
  4. Placez délicatement lunettes 3D sur le stand de TV (comme avant, assurez-vous d'éviter de toucher les marqueurs réfléchissants).
  5. Connectez les trois câbles USB des caméras infrarouges montés au-dessus du téléviseur 3D à 3 ports USB sur l'ordinateur de suivi, se il est mis hors tension.
  6. Localisez la télécommande TV 3D et placez-le en face de la télévision 3D.
  7. Branchez le câble vidéo à la carte vidéo sur l'ordinateur de la modélisation et l'entrée vidéo de la TV 3D. Connectez également l'émetteur 3D IR pour la sortie de synchronisation 3D de la TV 3D, et placez-émetteur à la télévision se tenir près côté du téléviseur, pointant vers le haut vers l'endroit où lunettes seront utilisés. Veillez à ne pas à changer la position de la TV calibrée.
  8. Tournez TV 3D ON avant d'allumer l'ordinateur de modélisation en frassurer une reconnaissance appropriée par l'ordinateur.
  9. Allumer l'ordinateur de modélisation. Après démarrage de l'ordinateur de modélisation à une invite de connexion, connectez-vous sur le système informatique de LINUX de modélisation à un compte approprié.
  10. Une fois que le bureau de l'ordinateur de modélisation est disponible, utiliser la télécommande TV 3D pour vérifier l'état de la connexion du câble vidéo en appuyant sur le "/ informations i" bouton. Veiller à ce que l'écran affiche TV "1920x1080 @ 60Hz" dans le coin supérieur gauche. Si pas, redémarrez l'ordinateur de modélisation pour établir la reconnaissance correcte de la TV 3D. Veillez également téléviseur est en mode de sortie 3D 2, en utilisant les menus de configuration de la télécommande.
  11. Sur l'ordinateur de bureau de modélisation, ouvrez une fenêtre de terminal avec plusieurs onglets.
  12. Sur l'ordinateur de suivi, vérifier l'adresse IP de l'adaptateur Ethernet en tapant "ipconfig" dans une fenêtre de commande.
  13. Sur l'ordinateur de modélisation, ouvrez un onglet de fenêtre de terminal et vérifier dans le fichier VRDevices.cfg que les définit "serverName"l'adresse IP de l'adaptateur ordinateur suivi Ethernet.
  14. Si nécessaire, modifier l'adresse IP "serverName" dans VRDevices.cfg pour correspondre à la ethernet adaptateur pour ordinateur de suivi, et d'économiser VRDevices.cfg.
  15. Sur l'ordinateur de suivi, de lancer le logiciel d'outil rigide du corps OptiTrack.
  16. Laisser le logiciel pour ouvrir complètement, puis cliquez sur le gros bouton près du menu du haut étiqueté "Load Calibration Résultat".
  17. Recherchez et ouvrez le fichier de calibration de caméra appropriée.
  18. Une fois le fichier chargé, cliquez sur le menu "Fichier" et sélectionner "Load rigides définitions du corps".
  19. Recherchez et ouvrez le fichier de définition de corps rigide approprié pour le contrôleur suivis et des lunettes 3D.
  20. Dans le volet de droite du logiciel de suivi, de localiser la section intitulée "streaming", développez la section et sous la catégorie «VRPN streaming", vérifiez que le numéro de port répertorié est 3883, puis cochez la case "Broad«boîte à l'intérieur du" de données de trame jeté catégorie VRPN streaming moteur ".
  21. Sur l'ordinateur de modélisation, assurez-vous que le contrôleur est soit directement à la main ou immédiatement accessible (2 sec éloigner au maximum).
  22. Sur l'ordinateur de modélisation, mettre en place un onglet dans la fenêtre du terminal créé plus tôt dans cette session et accédez à puis lancer le logiciel VRDeviceDaemon, par exemple, en tapant "./VRDeviceDaemon".
  23. Suivez l'invite à Si l'activité a été un succès, la fenêtre va maintenant afficher "appuyez sur les boutons 1 et 2 sur la Wiimote simultanément." "VRDeviceServer: En attente de connexion du client".

4. Système de visualisation test 3D / VR Utilisation du logiciel NCK

Le jeu d'instructions suivante explique comment utiliser le logiciel NCK menus à l'écran pour établir des fonctions de l'outil de contrôleur, puis comment construire et manipuler un nanotu de carbonedans l'espace de travail 3D / VR parmi les atomes de carbone constitutifs (figure 4). Instructions sur la façon de mesurer les angles et les distances (étape 4.4.10) obligations résultant sont disponibles en ligne 10.

Figure 4
Figure 4. étudiant de premier cycle en utilisant le système de visualisation 3D / VR pour étudier les nanotubes de carbone (NTC) Photos (A) -.. (F) montrer le processus de construction d'une seule paroi CNT Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure .

  1. Dans la fenêtre de terminal informatique de modélisation créé à l'étape 3.11, sélectionnez le troisième onglet. Pour lancer le logiciel NCK, accédez au répertoire d'installation et le type NCK:
    "./NanotechConstructionKit -rootSection localhost -domainsize 36 ".
  2. Etre très prudent de ne pas toucher ou desserrer les marqueurs de suivi attachés, mettez des lunettes 3D et ramasser le contrôleur. Ajuster la tête / lunettes position de visualisation pour assurer des lunettes 3D reçoivent la télévision en 3D émetteur IR signal de synchronisation, permettant 3D / VR visualisation de l'écran du téléviseur.
  3. Afin d'avoir un ensemble d'outils pour ajouter, déplacer et supprimer des atomes, céder NCK associations de commande à touches de la télécommande comme suit:
    1. Apportez le menu principal NCK à l'écran en appuyant sur le bouton d'accueil sur la Wiimote, la navigation et en sélectionnant le "Ignorer Outils" dans le menu, puis en relâchant le bouton Home. Ceci permet l'affectation des commandes aux différents boutons sur le contrôleur, indépendamment l'un de l'autre.
    2. Pour associer le bouton de déclenchement Wiimote (sur le fond du contrôleur) avec l'action de manipulation des atomes au sein NCK, appuyez et maintenez le bouton de déclenchement, naviguer dans le menu à l'écran NCK à & #8220; dragueur "et sélectionnez" 6-DOF dragueur », puis relâchez la gâchette. Le déclencheur est maintenant associée à l'action de la manipulation des atomes.
    3. Pour attribuer la fonction d'ajout d'un atome sur le bouton "+" sur la Wiimote, afficher le menu principal en appuyant et en maintenant le bouton d'accueil, accédez à "Types unité structurelle", et sélectionnez "Triangle", puis relâchez le bouton d'accueil .
    4. Ensuite, appuyez sur et maintenez le bouton "+", accédez à "dragueur" et sélectionnez "6-DOF dragueur», puis relâchez le bouton "+". Le bouton "+" est maintenant associé à la création de nouveaux atomes du type sélectionné (atomes de carbone représentés par des triangles, dans ce cas).
    5. Pour attribuer la fonction de suppression d'un atome à l'bouton "-" sur la Wiimote, faire apparaître le menu principal en appuyant sur le bouton «Home», puis naviguez à "Types d'unités structurels", et sélectionnez & #8220; Supprimer Unités sélectionnées », puis relâchez le bouton d'accueil.
    6. Ensuite, appuyez et maintenez le bouton -, accédez à "dragueur", puis "6-DOF dragueur," et relâchez le "" bouton "-". Le bouton «-» est maintenant associée à la suppression atomes.
    7. Suivez la même procédure pour attribuer les fonctions de "LOCK Unités sélectionnées" à la touche "1" Wiimote, et "Déverrouiller Unités sélectionnées" à la touche "2" du contrôleur.
  4. Une fois que les boutons de commande ont été configurés, créer un nanotube de carbone à l'aide NCK comme suit:
    1. Utilisation du bouton "+", ajouter deux triangulaires atomes de carbone 3-obligataires à l'espace de travail NCK. Manipuler ces utilisant le bouton de déclenchement jusqu'à ce qu'ils rejoignent à un sommet.
    2. Ajouter 4 atomes de carbone pour créer une forme hexagonale étoiles.
    3. Utilisation du menu "Accueil", naviguer, puis Unités Enregistrer "I / O Menus" ".
    4. Déplacez la structure pointue six loin de sa position actuelle.
    5. Utilisation du menu "Accueil", accédez à "O Menus I /", puis "unités de charge.
    6. Répéter les deux dernières étapes jusqu'à ce qu'une feuille de hexagonales cycles à 6 atomes de six par six a été créé (figure 5A).
    7. Utilisation de la touche "1", verrouiller un atome dans la rangée du haut, et un atome adverse dans la rangée du bas. Les atomes verrouillés seront marqués d'une couleur rose (figure 5B).
    8. En utilisant le bouton de déclenchement, déplacer soigneusement un des atomes enfermés dans un arc de cercle jusqu'à son sommet sans se approche du sommet libre de l'atome verrouillé adverse. Une ligne verte apparaît entre les sommets quand ils sont suffisamment proches pour que l'attraction atomique va les amener à se joindre à une liaison (Figure 5C). Une fois rejoint avec succès, déverrouiller les deux atomes en utilisant le bouton "2".
    9. Continuer de verrouillage similaire, de liaison, et le déverrouillage se opposant ver atomiquetiques dans la feuille de carbone, efficace "zipper" la feuille en un nanotube de carbone final (Figures 5D-5F).
      Figure 5
      Figure 5. la création par étapes d'une seule paroi CNT montrant (A) a x 6 de la feuille 6 (graphène) d'anneaux de carbone hexagonales, (B) se opposant atomes de carbone "verrouillé" (présentée comme triangles roses) pour permettre une manipulation plus facile contre forces interatomiques réalistes, (C) carbone (graphène) feuille soigneusement incurvée pour permettre la liaison entre les atomes sur des côtés opposés, (D) deux atomes de carbone opposées supplémentaires verrouillés pour aider davantage feuille de carbone courbure, (E) des atomes additionnels de carbone opposées collées de continuer carbone feuille courbure dans un nanotube, et (F) formée CNT finale après collage séquentiel des atomes opposés de la c originalefeuille Arbon (graphène). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
    10. Lorsque le nanotube est complète, utiliser des outils de mesure à l'écran pour confirmer les angles et les distances 10 structurelles.

5. Visualisation de la dynamique moléculaire Modèles de simulation

  1. Importer un modèle cubique initiale SiO 2 cristallin dans le logiciel 3D / VR NCK, et d'enquêter sur la structure initiale (voir Figure 2A).
  2. Programmes open-source MDCASK 11 et 12 ont été LAMMPS ciblées à cause de caractéristiques qui sont bien adaptées à ce domaine de recherche. Ce dernier programme est utilisé dans ce travail compte tenu de ses potentiels interatomiques variés et la capacité GPU Computing. Utilisation du package LAMMPS MD 12, exécutez une masse fondue simulée / étancher procédure sur cette structure initiale pour produire un SiO 2 st ructure. Détails sur cette procédure simulée peuvent être trouvés dans les publications précédentes 13-15.
  3. Importer la nouvelle amorphe (désordonnée) SiO 2 modèle qui en résulte dans le logiciel 3D / VR NCK et d'enquêter sur la structure (voir la figure 2B).
  4. Créez un SiO 2 nanospring / nanoruban sur le nouveau solide en utilisant l'open source le code NanospringCarver amorphe 16 et associé pédagogique documentation 17 (figure 6). Figure 6
    Figure 6. Illustration du processus étape par étape de sélection atome à différentes étapes de la création d'un nanospring utilisant le programme NanospringCarver Pièces. (A - D) indique 25%, 50%, 75% et 100% d'achèvement de ce processus 17.target = "_ blank"> Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
  5. Utilisez le paquet LAMMPS MD pour effectuer des simulations de traction sur le nanospring / nanoruban (figure 7). Détails sur cette procédure peuvent être trouvés dans une publication précédente 15.
    Figure 7
    Figure 7. image instantané des résultats LAMMPS MD hélicoïdale de silice nanostructure (nanoruban) de simulation de traction.
  6. Utilisez le (Visualiser Molecular Dynamics) open source des outils logiciels VMD 18 ImageMagick 19 et FFmpeg 20 pour créer des instantanés et de l'animation de la nanostructure hélicoïdale à travers cette simulation (Figure animées 1), pour la présentation dans le système de visualisation 3D / VR. Se il vous plaît, cliquez ici pour afficher un plus grand version de ce chiffre.

Figure 1 animée . Animations de la simulation nanostructure de traction hélicoïdal.

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Representative Results

Cette 3D / VR Visualization System offre de nouvelles possibilités pour la conduite des études de sciences des matériaux. Comme cet environnement immersif fonctionne en temps réel, sous la forme d'entrée et d'affichage 3D, le chercheur est présenté avec un instrument entièrement interactif nanométriques 2. En suivant le protocole présenté ici, un nanoruban hélicoïdal de silice a été créée dans cette étape par étape. Un aperçu de cette structure produite à partir LAMMPS MD est représenté sur la Figure 7. Cette structure a été soumise à un essai de traction simulé, et les résultats de cette simulation sont présentés dans animées figure 1 qui illustre l'assainissement et la défaillance de la structure sous des forces de traction.

En combinant l'interactivité en temps réel et la nature visuelle d'un environnement immersif avec de puissantes simulations de MD 15, les chercheurs peuvent bénéficier d'un contrôle intuitif et d'analyse complet.

The amélioré / Système de visualisation VR 3D avec capacité MD a été testé et mis en œuvre dans la recherche en nanosciences dans la Davila Lab à l'UC Merced, en se concentrant sur ​​des simulations de traction de nanofils de silice amorphe, nanorubans et nanosprings 15.

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Discussion

Éléments essentiels à la réussite de l'installation et l'utilisation du système de visualisation 3D / VR sont détaillées dans l'environnement physique et de conception et de considérations spéciales dans les matériaux supplémentaires. Considérations d'installation importants incluent la hauteur d'affichage 3D pour la commodité de permanent à long terme ou de l'usage assis, maximisés suivi caméra montée hauteur pour créer un grand espace 3D de travail, la caméra de suivi stable et support d'affichage 3D pour maintenir la configuration au fil du temps, et la suppression des éléments IR-réfléchissantes à partir de la zone de travail 3D. Comme mentionné dans les instructions d'installation, si la caméra suivi hauteur de montage disponibles est limité, autre orientation de l'appareil peut être nécessaire de créer la plus grande zone de travail 3D.

Lors de la configuration du logiciel de suivi de piste, l'étape de capture baguette est important pour la précision de repérage final. Des précautions doivent être prises pour déplacer la baguette thor réfléchissanteoughly et en douceur tout au long de la zone de recouvrement de l'appareil de suivi sans bloquer ne importe quelle caméra ou d'introduire un objet réfléchissant secondaire, répéter cette étape si nécessaire jusqu'à ce que les valeurs d'erreur requis sont obtenus. Comme indiqué dans les sections mentionnées ci-dessus, lors de l'utilisation du système, il peut être important de créer un petit bouclier sur les lunettes 3D pour éviter les interférences du signal suivi IR avec le signal de synchronisation 3D IR, et d'utiliser des piles de lunettes 3D frais de maximiser la goggle synchronisation 3D. En outre, des soins constants devrait être prise de ne pas toucher ou de modifier les lunettes 3D et Wiimote IR-sphères réfléchissantes, et de ne pas déplacer physiquement la caméra de suivi ou positions d'affichage 3D afin de maintenir le suivi 3D précis et d'imagerie.

D'autres efforts précédents ont porté sur MD et l'interactivité en temps réel (par exemple, par l'intermédiaire de VMD, un logiciel de visualisation et de modélisation moléculaire populaire pour les systèmes biomoléculaires 21), tandis que les approches plus récente have mis en œuvre d'autres interfaces utilisateur et le geste 3D et commandes vocales 22. Un autre groupe 23 a créé un logiciel qui intègre, algorithmes adaptatifs de mettre à jour incrémentielles l'énergie potentielle et les forces interatomiques dans les nanosystèmes. Le système décrit dans ce travail comprend une cible particulière car elle se compose de la visualisation 3D des nanomatériaux via le logiciel open-source NCK 6, avec l'interactivité dans un environnement de réalité virtuelle et simulations MD capacité via les LAMMPS de code open-source 12. Ce code permet une flexibilité puisque divers potentiels interatomiques robustes sont disponibles pour étudier les nanomatériaux, de la recherche en science des matériaux. Ainsi, le système dans ce travail comporte des éléments similaires de simulation de DM et de l'interactivité que d'autres approches, mais avec un accent sur la recherche de matériaux à l'échelle nanométrique.

L'importance du système de visualisation 3D / VR décrit ici est que ce est plus simple et moins coûteux à mettre en place, und plus souple à utiliser pour le chercheur moyen ou un éducateur, d'environnements immersifs spécialisés plus chers. L'ajout de capacité de simulation MD accélération GPU prend avantage de cette technologie informatique évolue rapidement pour créer une énergie et d'espace conservation, de haute performance environnement informatique au sein du laboratoire. Cet outil immersive roman couplée à des capacités d'analyse avancées est puissant et efficace pour une utilisation dans des domaines tels que la science des matériaux, et est particulièrement bien adapté pour la recherche et l'éducation à l'échelle nanométrique. Ce système a été sélectionné pour être présenté dans la série Juin 2012 "Notre vie numérique" 24 sur UCTV (un média public-service et le premier canal original YouTube fonctionner universitaire).

Comme la fois un outil de recherche et d'éducation, le système de visualisation 3D / VR avec capacité MD accélérée favorise la collaboration interdisciplinaire et l'intégration des approches de recherche et de nouveaux apprentissages, y compris l'entraîneur-style enseignement, l'apprentissage actif, et de multiples styles d'apprentissage, y compris l'utilisation de manuels interactifs développés pour le système 3. La mise en œuvre du Système de visualisation 3D / VR a donné lieu à des publications évaluées par les pairs, plusieurs présentations de conférence, une thèse de Master, un prix de la NSF, et des collaborations interdisciplinaires.

Le développement potentiel futur et l'expansion du système de visualisation 3D / VR décrit pourraient inclure l'ajout d'outils et de leurs menus dans l'interface NCK 3D pour faciliter l'interaction directe avec le programme MD (LAMMPS), tout en restant dans l'environnement de réalité virtuelle.

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Disclosures

Les auteurs déclarent qu'ils ne ont aucun intérêt financier concurrentes.

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).
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  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).
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  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).
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  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).

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