Novela 3D / VR Interactivo Medio Ambiente para MD simulaciones, visualización y análisis

La ciencia de materiales es un campo interdisciplinario que examina las relaciones entre estructura y propiedades de la materia para su aplicación a muchas áreas de la ciencia y la ingeniería. Como las relaciones estructura-propiedad se investigan a través de simulaciones por ordenador, además de la experimentación, herramientas computacionales ofrecen características complementarias que pueden mejorar los esfuerzos de investigación. Mientras que los nanomateriales son de interés para los científicos y tienen valor redentor por su potencial impacto social, este régimen tamaño está llena de muchos desafíos que se encuentran sobre todo en la experimentación.

Las simulaciones por ordenador permiten a los científicos e ingenieros para realizar pruebas especializadas en una gran variedad de entornos limitados sólo por el tiempo y los recursos computacionales. La dinámica molecular (MD) simulaciones permiten que el momento adecuado y la longitud escalas para estudiar los fenómenos de interés en muchos nanomateriales. Simulaciones ampliar el estudio de materiales mediante la eliminación de las restricciones de la tél laboratorio físico, sin embargo, muchos carecen de herramientas computacionales, interfaces intuitivos accesibles para la investigación. Mejora con la representación gráfica de los modelos, algoritmos computacionales eficientes, y la unidad de procesamiento gráfico (GPU) informática basada complementar los esfuerzos actuales de simulación. Estos nuevos dispositivos gráficos se combinan con las unidades centrales de proceso eficiente para permitir cálculos matemáticamente intensivas para llevar a cabo por la GPU. El resultado es una aceleración eficaz de cálculo del orden de 10 veces acompañada de una reducción en el consumo de energía de hasta 20x.

El objetivo de este proyecto de investigación fue desarrollar e implementar un nuevo instrumento para la investigación de nanociencia que se conecta directamente una interfaz interactiva de simulaciones MD, análisis de la ciencia de materiales y la visualización en 3D. Este innovador sistema con capacidades de análisis únicas y poderosas se ha utilizado para la investigación a nanoescala y la educación en la UC Merced, con implicaciones directas a otra rel campos de STEM ciones que conlleva, como la nanotecnología, la física, la biología y la geología, y la última ventaja a la educación y la sociedad.

El sistema de visualización 3D / VR se implementó tanto como un instrumento de investigación y enseñanza que permite la creación y manipulación de estructuras atómicas en una realidad virtual interactiva 3D (VR) medio ambiente. El sistema fue creado a partir de un conjunto de relativamente bajo costo y componentes accesibles siguiendo el modelo desarrollado originalmente por el Dr. Oliver Kreylos en UC Davis ^1.

A continuación se muestra una foto de la disposición final 3D Visualization System / VR, con importantes componentes marcados (Figura 1). Este sistema fue establecido originalmente para fines de educación en la UC Merced en 2009. La implementación del sistema original 3D / VR resultó en publicaciones revisadas por pares ^2-3. La Tabla 1 resume las principales características de cada elemento del sistema de visualización 3D / VR.

Tabla 1. Funciones de los principales elementos del sistema de visualización 3D / VR en la UCM.

Description del sistema de visualización 3D / VR y componentes básicos:

3D / VR Visualización Descripción general del sistema – El 3D / VR Sistema de visualización se compone de un conjunto de cámaras de infrarrojos y software de seguimiento que funciona en conjunción con software de modelado 3D para permitir a un usuario crear de forma interactiva en 3D de estructuras moleculares. Las cámaras y software IR rastrear la ubicación 3D de un Wiimote y 3D gafas de visión utilizando marcadores IR, y así pasan al software de modelado. El software de modelado utiliza las señales de control Wiimote y el movimiento para generar estructuras moleculares en 3D se puede ver con la combinación de una televisión de gran formato con capacidad 3D con las gafas 3D sincronizadas y orugas. Esto resulta en una realidad virtual 3D espacio de trabajo dentro de la cual el usuario puede crear y manipular las estructuras moleculares virtuales que reflejen el comportamiento físico del mundo real basado en las fuerzas inter-atómicas utilizadas en el software de modelado (Figura 2) de forma dinámica. Considerati especialescomplementos para la creación de este sistema se puede encontrar en los materiales suplementarios.

Figura 2. La investigación de nanomateriales de sílice utilizando el sistema de visualización 3D / VR. (A) Un investigador crea un modelo cristobalita inicial (cristalino) antes de simulaciones basadas en la GPU. (B) En el momento de realizar un procedimiento de fusión de enfriamiento MD simulada en el modelo se muestra en (a), otro investigador obtiene un modelo de vidrio de sílice (no cristalino). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3D / VR Visualization System Enhancement – MD Simulación Capacidad:

La dinámica molecular de sistemas de simulación se aplican comúnmente en unamoda multi-nodal, es decir, una gran carga de trabajo se distribuye o paralelizado entre decenas de miles de procesadores. Recientemente, oportunidades adicionales para la computación científica acelerada han surgido de los desarrollos en el procesamiento de gráficos por ordenador. Estos avances incluyen una interfaz de software que permite a los científicos aprovechan la naturaleza altamente paralela de la potencia de procesamiento intrínseca a los chips gráficos. Con el advenimiento de la Compute Unified Device Architecture o CUDA ^7, los científicos pueden utilizar las GPU ⁸ para mejorar la velocidad a la que los problemas se resuelven al tiempo que reduce el coste de la infraestructura. Una GPU típica puede tener el equivalente de cientos a miles de núcleos o "nodos" para el procesamiento de la información, y como éstas se pueden utilizar en paralelo, una solución bien codificado-puede proporcionar hasta 1.000 x aceleración rendimiento frente a su contraparte de varios núcleos . Aunque no todos los problemas se adapta bien a este enfoque, MD simulaciones actuales han visto hasta 15x rendimiento de procesamiento gana ^9. Los detalles sobre la mejora MD-GPU sistema de visualización 3D / VR se pueden encontrar en los materiales complementarios.