Method Article
A new computational system featuring GPU-accelerated molecular dynamics simulation and 3D/VR visualization, analysis and manipulation of nanostructures has been implemented, representing a novel approach to advance materials research and promote innovative investigation and alternative methods to learn about material structures with dimensions invisible to the human eye.
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.
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 ">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. |
Ré | 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. 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.
1. Installez 3D / VR logiciel de modélisation sur la modélisation PC
2. Mettre en place une système de suivi
3. Préparer système de modélisation 3D pour utilisation
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. 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 .
5. Visualisation de la dynamique moléculaire Modèles de simulation
Figure 1 animée . Animations de la simulation nanostructure de traction hélicoïdal.
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.
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.
Les auteurs déclarent qu'ils ne ont aucun intérêt financier concurrentes.
We wish to gratefully acknowledge the original inspiration and extensive support provided to us toward the creation of this system from Dr. Oliver Kreylos of the UC Davis Institute for Data Analysis and Visualization. His advice and assistance were instrumental to our success.
We also wish to thank the NSF BRIGE program for providing funding for this project. This material is based upon work supported by the National Science Foundation under Grant No. 1032653.
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) |
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