Neuartige 3D / VR Interaktiv Raum für MD-Simulationen, Visualisierung und Analyse

Materialwissenschaft ist ein interdisziplinäres Feld, das die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen für ihre Anwendung in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik untersucht, in der Materie. Als Struktur-Eigenschafts-Beziehungen werden durch Computersimulationen neben Experimenten untersucht, bieten Computerwerkzeuge komplementäre Funktionen, die Forschungsanstrengungen verstärken kann. Während Nanomaterialien sind von Interesse für Wissenschaftler und haben erlösende Wert für ihre potenziellen sozialen Auswirkungen ist dieser Größenbereich birgt viele Herausforderungen vor allem in Experimenten gefunden.

Computersimulationen erlauben Wissenschaftlern und Ingenieuren, um spezielle Tests in einer großen Vielzahl von Umgebungen nur von Zeit und Rechenressourcen begrenzt durchzuführen. Molekulardynamik (MD) Simulationen ermöglichen die entsprechende Zeit- und Längenskalen, die Phänomene von Interesse in vielen Nanomaterialien zu untersuchen. Simulationen erweitern die Untersuchung von Materialien, indem Sie die Einschränkungen von Ter physikalische Labor, aber viele Computerwerkzeuge fehlen zugänglich, intuitive Schnittstellen für die Forschung. Enhancement mit der grafischen Darstellung von Modellen, effiziente Berechnungsalgorithmen und grafischen Processing Unit (GPU) based Computing ergänzen aktuelle Simulationsbemühungen. Die neuen Grafikkarten verbinden sich mit Zentraleinheiten effizient, damit mathematisch intensive Berechnungen, die von der GPU ausgeführt werden. Das Ergebnis ist eine wirksame Beschleunigung der Berechnung in der Größenordnung von 10 x begleitet von einer Verringerung des Energieverbrauchs von bis zu 20x.

Das Ziel dieses Forschungsprojektes war die Entwicklung und Implementierung eines neuartigen Werkzeug für Nanowissenschaften Untersuchung, die direkt mit einer interaktiven Schnittstelle zu MD-Simulationen, Materialwissenschaften Analyse und 3D-Visualisierung. Dieses innovative System mit einzigartigen und leistungsstarken Analysefunktionen für Nano-Forschung und Bildung an der UC Merced verwendet wurde, mit unmittelbaren Auswirkungen auf andere rel ated STEM Bereichen wie Nanotechnologie, Physik, Biologie und Geologie und ultimative Vorteil für Bildung und Gesellschaft.

Die 3D / VR-Visualisierungssystem wurde sowohl eine Forschungs- und Lehrinstrument, die Erstellung und Bearbeitung von atomaren Strukturen in einem interaktiven virtuellen 3D-Realität (VR) Umgebung ermöglicht implementiert. Das System wurde von einer Reihe von relativ kostengünstige und leicht zugängliche Komponenten nach dem ursprünglich von Dr. Oliver Kreylos an der UC Davis ¹ entwickelten Modell erstellt.

Unten ist ein Foto des fertigen 3D / VR-Visualisierungssystem-Layout, mit wichtigen Komponenten markiert (Abbildung 1). Dieses System wurde ursprünglich für Bildungszwecke an der UC Merced 2009 gegründet Die Umsetzung der Original-3D / VR-System führte in peer-reviewed Publikationen ^2-3. Tabelle 1 unten fasst die wichtigsten Eigenschaften für jedes Element der 3D / VR-Visualisierungssystem.

Tabelle 1. Funktionalität der wichtigsten Elemente der 3D / VR-Visualisierungssystem an der UCM.

Description von 3D / VR-Visualisierungssystem und Basiskomponenten:

3D / VR-Visualisierung Systemübersicht – Die 3D / VR-Visualisierungssystem besteht aus einer Reihe von IR-Kameras und-Tracking-Software, die in Verbindung mit 3D-Modellierungssoftware, damit ein Benutzer interaktiv erstellen 3D Molekülstrukturen. Die IR-Kameras und Software verfolgen die 3D-Lage einer Wiimote und 3D-Betrachtungsbrille mit IR-Marker, und übergeben diese an die Modellierungssoftware. Die Modellierungssoftware benutzt die Wiimote Steuersignale und Bewegung, um 3D-Molekülstrukturen erzeugen sichtbar mit Hilfe der Kombination aus einem 3D-fähigen Fernseher mit Großformat-synchronisiert und verfolgt 3D-Brille. Dies ergibt eine virtuelle 3D-Arbeitsbereich, in dem der Benutzer dynamisch zu erstellen und virtuelle Molekülstrukturen, die reale physikalische Verhalten (2) beziehen, basierend auf interatomaren Kräfte in der Modellierungssoftware verwendet manipulieren. Sonder considerations für die Einrichtung dieses Systems können in ergänzenden Materialien gefunden werden.

Abbildung 2. Die Untersuchung Kieselsäure Nanomaterialien mit dem 3D / VR-Visualisierungssystem. (A) Ein Forscher schafft eine erste Cristobalit-Modell (kristallin), bevor GPU-basierte Simulationen. (B) Bei der Durchführung einer simulierten MD schmelz Quench-Verfahren auf in (a), erhält ein anderer Forscher einen Quarzglas-Modell (nicht-kristalline) gezeigte Modell. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

3D / VR-Visualisierungssystem Enhancement – MD Simulation Fähigkeit:

Molekulardynamik-Simulationssysteme werden häufig in einem realisiertMehrknoten Mode, das heißt, eine große Arbeitsbelastung für Tausende von Prozessoren verteilt oder unter Zehn parallelisiert. In letzter Zeit wurden zusätzliche Möglichkeiten für beschleunigte wissenschaftliche Rechnen mit den Entwicklungen in der Computergrafik Verarbeitung entstanden. Diese Fortschritte sind eine Software-Schnittstelle, die Wissenschaftler, die Vorteile der hochparallele Art der Verarbeitungsleistung wesentlich für Grafikchips zu nehmen. Mit dem Aufkommen des Compute Unified Device Architecture oder CUDA ^7, können die Wissenschaftler GPUs ⁸ verwenden, um die Geschwindigkeit, mit der Probleme gelöst und gleichzeitig die Kosten für die Infrastruktur. Ein typisches GPU kann das Äquivalent von Hunderten bis Tausenden von Kernen oder "Knoten" für die Verarbeitung von Informationen haben, und diese können jeweils parallel verwendet werden, kann ein gut codiert Lösung bis zu Durch Beschleunigung gegenüber den Multi-Core-Pendant 1,000x . Auch wenn nicht jedes Problem mit diesem Ansatz gut geeignet, haben aktuelle MD-Simulationen bis zu 15 gesehenx Durchsatzleistung gewinnt ^9. Details zur 3D / VR-Visualisierungssystem MD-GPU-Erweiterung kann in ergänzenden Materialien gefunden werden.