Nieuw 3D / VR interactieve omgeving voor MD simulaties, visualisatie en analyse

Materiaalkunde is een interdisciplinair vakgebied dat de structuur-eigenschap relaties onderzoekt in kwestie voor de toepassing daarvan op vele gebieden van wetenschap en techniek. Als structuur-eigenschap relaties worden onderzocht door middel van computersimulaties in aanvulling op experimenten, computationele hulpmiddelen bieden aanvullende functies die onderzoeksinspanningen kunnen verbeteren. Terwijl nanomaterialen van belang zijn voor wetenschappers en hebben verlossende waarde voor hun mogelijke maatschappelijke impact, dit regime grootte is beladen met vele uitdagingen vinden vooral in experimenten.

Computersimulaties kunnen wetenschappers en ingenieurs om gespecialiseerde tests uit te voeren in een grote verscheidenheid van omgevingen alleen beperkt door tijd en computationele resources. Moleculaire dynamica (MD) simulaties kan de juiste tijd en de lengte schalen om de verschijnselen van belang te onderzoeken in veel nanomaterialen. Simulaties uit te breiden het onderzoek van materialen door het verwijderen van de beperkingen van de tHij fysieke laboratorium, maar veel computationele hulpmiddelen ontbreekt toegankelijk, intuïtieve interfaces voor onderzoek. Enhancement met de grafische weergave van de modellen, efficiënte computationele algoritmen, en grafische verwerkingseenheid (GPU) based computing aanvulling van de huidige simulatie inspanningen. Deze nieuwe grafische toestellen combineren met centrale verwerkingseenheden efficiënt om wiskundig intensieve berekeningen worden uitgevoerd door de GPU. Het resultaat is een efficiënte versnelling van berekening in de orde van 10x gepaard met een vermindering van het energieverbruik tot 20x.

Het doel van dit onderzoek was het ontwikkelen en implementeren van een nieuw instrument voor nanowetenschap onderzoek dat rechtstreeks verbindt een interactieve interface om MD simulaties, materiaalkunde analyse en 3D-visualisatie. Dit innovatieve systeem met unieke en krachtige analysemogelijkheden is gebruikt voor nanoschaal onderzoek en onderwijs aan de UC Merced, met rechtstreekse gevolgen voor andere rel ated STEM gebieden zoals nanotechnologie, natuurkunde, biologie en geologie, en het uiteindelijke voordeel voor het onderwijs en de samenleving.

De 3D / VR Visualisatie Systeem werd geïmplementeerd als zowel een onderzoek en onderwijs instrument dat creatie en manipulatie van atomaire structuren in een interactieve 3D virtual reality (VR) omgeving stelt. Het systeem is ontstaan ​​uit een reeks van relatief goedkope en toegankelijke onderdelen volgens het model oorspronkelijk ontwikkeld door Dr. Oliver Kreylos bij UC Davis ^1.

Hieronder is een foto van het uiteindelijke 3D / VR Visualisatie Systeem lay-out, met belangrijke componenten gelabeld (Figuur 1). Dit systeem werd oorspronkelijk opgericht voor educatieve doeleinden op UC Merced in 2009. De uitvoering van de oorspronkelijke 3D / VR-systeem resulteerde in peer-reviewed publicaties ^2-3. Tabel 1 hieronder geeft een overzicht van de belangrijkste kenmerken voor elk element van de 3D ​​/ VR Visualisatie Systeem.

Tabel 1. Functionaliteit van de belangrijkste elementen van de 3D ​​/ VR Visualisatie Systeem bij UCM.

Description van 3D / VR Visualisatie Systeem en basiscomponenten:

3D / VR Visualisatie Systeem Overzicht – De 3D / VR Visualisatie Systeem bestaat uit een set van IR camera's en tracking software werkt in combinatie met 3D modeling software waarmee een gebruiker interactief 3D-moleculaire structuren. De IR-camera's en software volgen de 3D-locatie van een Wiimote en 3D-weergave bril met IR-markers, en geven deze aan de modeling software. De modeling software maakt gebruik van de Wiimote stuursignalen en beweging naar 3D moleculaire structuren te genereren kan worden weergegeven met de combinatie van een 3D-capable grootformaat televisie met gesynchroniseerde en bijgehouden 3D bril. Dit resulteert in een 3D virtual reality werkgebied waarbinnen de gebruiker dynamisch maken en manipuleren virtuele moleculaire structuren die echte fysieke gedrag weergeven op basis van interatomaire krachten die in het model software (figuur 2). Speciale Considerations voor het opzetten van dit systeem is te vinden in aanvullende materialen.

Figuur 2. Het onderzoeken van silica nanomaterialen gebruik van de 3D ​​/ VR Visualisatie Systeem. (A) Een onderzoeker creëert een initieel cristobalite model (kristallijne) voordat GPU-gebaseerde simulaties. (B) Bij het ​​uitvoeren van een gesimuleerde MD smelt-demping procedure van het model getoond in (a), een andere onderzoeker krijgt een silica glas model (niet-kristallijne). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

3D / VR Visualisatie System Enhancement – MD Simulatie Capability:

Moleculaire dynamica simulatie systemen worden vaak in een geïmplementeerdmeerdere knooppunten mode, dat wil zeggen een grote belasting wordt verdeeld of geparalleliseerd over tientallen tot duizenden processors. Onlangs, extra mogelijkheden voor versnelde wetenschappelijke berekeningen zijn ontstaan ​​uit de ontwikkelingen in computer graphics processing. Deze voorschotten zijn een software-interface waarmee wetenschappers om te profiteren van de sterk parallelle aard van de verwerkingskracht intrinsiek aan grafische chips. Met de komst van de Compute Unified Device Architecture of CUDA ^7, kunnen wetenschappers GPU ⁸ om de snelheid waarmee problemen worden opgelost en tegelijkertijd de kosten van infrastructuur te stimuleren. Een typische GPU kan het equivalent van honderden tot duizenden kernen of "nodes" voor de verwerking van informatie, en deze kunnen elk parallel worden gebruikt, kan een goed gecodeerd oplossing bieden tot doorvoer versnelling tegen de meeraderige tegenhanger 1000x . Hoewel niet elk probleem is zeer geschikt voor deze aanpak, zijn huidige MD simulaties up zien tot 15x doorvoercapaciteit krijgt ^9. Details over de 3D / VR visualisatie systeem MD-GPU verbetering is te vinden in aanvullende materialen.