新颖的3D / VR互动环境MD模拟，可视化和分析

材料科学是一个跨学科领域的检查结构 – 性能关系，无论他们的应用科学和工程的许多领域。由于结构与性能的关系，通过计算机模拟，除了实验研究，计算工具提供了互补的功能，可以增强研究工作。虽然纳米材料感兴趣的科学家和有兑换价值为他们潜在的社会影响，这种规模的制度充满了发现特别是在实验许多挑战。

计算机模拟使科学家和工程师在种类繁多的只有时间和计算资源有限的环境中进行专门的测试。分子动力学（MD）模拟允许适当的时间和长度尺度来研究感兴趣的现象在许多纳米材料。模拟扩大材料的研究，通过去除T的限制他的物理实验室，然而，许多计算工具缺乏方便，直观的界面进行研究。加强与模型的图形显示，高效的计算算法和图形处理单元（GPU）的计算补充当前模拟的努力。这些新的图形设备与中央处理单元相结合高效，让数学密集型计算由GPU来完成。其结果是计算的10倍伴随在高达20倍的功率消耗的降低的数量级上的有效加速。

这一研究项目的目标是开发和实施了一种新的工具，纳米科学的调查，直接连接的人机交互界面，MD模拟，材料科学分析和三维可视化。该创新系统具有独特而强大的分析功能已被用于在UC Merced的纳米研究和教育，直接影响到其他相对 ated STEM领域，如纳米技术，物理，生物，地质，并最终受益于教育和社会。

在3D / VR可视化系统实施既是科研和教学仪器，它允许创建和操纵原子结构中的交互式三维虚拟现实（VR）环境。该系统是由最初由奥利弗Kreylos博士在加州大学戴维斯分校¹开发的模型下面一组相对低的成本和可获得的组件创建。

下面是一个照片的最终3D / VR的可视化系统的布局，与标记的重要组成部分（ 图1）。该系统最初是建立在教育的目的在加州默塞德在2009年的原始3D / VR系统的实施，导致在同行评审的出版物^2-3。下面的表1总结了3D / VR可视化系统中的每个元素的关键特性。

表1.功能的3D / VR可视化系统在UCM的主要元素。

DESCRIPTIOñ3D / VR可视化系统和基本组件：

3D / VR可视化系统概述 -在3D / VR可视化系统包括一套红外摄像机和跟踪软件与三维建模软件一起运行，以允许用户以交互方式创建三维分子结构。红外相机和软件跟踪使用IR标记物的Wiimote和3D眼镜观看3D的位置，并通过这个来建模软件。建模软件使用Wiimote的控制信号和动作与同步和跟踪3D眼镜使用3D功能的大幅面电视的结合，生成三维分子结构可见。这导致在一个三维虚拟现实工作空间中，用户可以动态地创建和操作基于在建模软件使用原子间力反映真实世界物理行为（ 图2）虚拟分子结构。特别considerati附件设立该系统可以在补充材料中找到。

图2.调查采用3D / VR可视化系统二氧化硅纳米材料。 （ 一 ）研究人员创建了基于GPU的仿真之前的初始方石英模型（结晶）。 （b）当在（A），另一位研究员获得石英玻璃模型（非结晶）所示模型进行了模拟MD熔融淬火的过程。 请点击此处查看该图的放大版本。

3D / VR可视化系统增强- MD模拟能力：

分子动力学模拟系统中普遍采用的多节点的方式，就是一个大的工作量分配或并行间几十到上千处理器。近日，加速科学​​计算额外的机会已经出现了事态发展计算机图形处理。这些进展包括软件接口，使科学家们采取的处理能力固有的图形芯片的高度并行特性的优势。与统一计算设备架构或CUDA ⁷的出现，科学家可以利用GPU的^8，以提高在该同时减少的基础设施成本的问题得到解决的速度。一个典型的GPU可以具有数百到数千芯或“节点”的用于处理信息的等效，而且因为这些可以并行每个被使用的，以及编码的溶液可以提供高达1,000倍针对其多核对应吞吐量加速度。虽然不是所有的问题是非常适合于这种方法，当前MD模​​拟已经看到高达15X吞吐量性能提升^9。在3D / VR的可视化系统的MD-GPU的增强的细节可以在补充材料中找到。