उपन्यास 3 डी / एमडी सिमुलेशन, दृश्य और विश्लेषण के लिए वी.आर. इंटरैक्टिव पर्यावरण
Summary
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.
Abstract
पिछले दशकों में कंप्यूटिंग (हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर) की बढ़ती विकास के कई अन्य लोगों के बीच सामग्री विज्ञान, जीव विज्ञान, रसायन विज्ञान और भौतिक विज्ञान सहित कई क्षेत्रों में वैज्ञानिक अनुसंधान को प्रभावित किया है। सही और तेजी से सिमुलेशन और nanostructures की 3 डी / वी.आर. दृश्य के लिए एक नया कम्प्यूटेशनल प्रणाली आणविक गतिशीलता (एमडी) कंप्यूटर प्रोग्राम LAMMPS खुले स्रोत का उपयोग करते हुए, यहाँ प्रस्तुत किया है। इस वैकल्पिक कम्प्यूटेशनल विधि पारंपरिक कंप्यूटिंग के तरीकों के लिए आम प्रसंस्करण गति बाधाओं को दूर करने के लिए आधुनिक ग्राफिक्स प्रोसेसर, NVIDIA CUDA प्रौद्योगिकी और विशेष वैज्ञानिक कोड का उपयोग करता है। सामग्री मॉडल करने के लिए प्रयोग किया जाता है एक आभासी वास्तविकता प्रणाली के साथ संयोजन के रूप में, इस वृद्धि त्वरित एमडी सिमुलेशन क्षमता के अलावा अनुमति देता है। प्रेरणा एक साथ दृश्य, सिमुलेशन, मॉडलिंग और विश्लेषण की अनुमति देता है जो एक उपन्यास अनुसंधान के माहौल प्रदान करना है। अनुसंधान लक्ष्य अकार्बनिक n की संरचना और गुणों की जांच करने के लिए हैanostructures (जैसे, सिलिका गिलास nanosprings) इस अभिनव कम्प्यूटेशनल प्रणाली का उपयोग कर विभिन्न परिस्थितियों में। प्रस्तुत काम इस तरह के भौतिक वातावरण के रूप में 3 डी / वी.आर. दृश्य प्रणाली और बुनियादी घटकों, महत्वपूर्ण कारणों में से एक सिंहावलोकन के विवरण की रूपरेखा, उपन्यास प्रणाली की स्थापना और उपयोग पर विवरण, त्वरित एमडी को बढ़ाने के लिए एक सामान्य प्रक्रिया, तकनीकी जानकारी , और प्रासंगिक टिप्पणी। इस काम के प्रभाव को यूसी Merced में एक शोध और शिक्षण साधन है जो दोनों एक आभासी वातावरण में nanoscale सामग्री सिमुलेशन, दृश्य और अन्तरक्रियाशीलता के संयोजन एक अद्वितीय कम्प्यूटेशनल प्रणाली की रचना है।
Introduction
सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विज्ञान के कई क्षेत्रों के लिए अपने आवेदन के लिए इस मामले में संरचना-संपत्ति रिश्तों को परख होती है कि एक अंतःविषय क्षेत्र है। संरचना-संपत्ति रिश्तों प्रयोग के अलावा कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से जांच कर रहे हैं, कम्प्यूटेशनल उपकरण अनुसंधान के प्रयासों में वृद्धि कर सकते हैं कि पूरक सुविधाओं की पेशकश। Nanomaterials के वैज्ञानिकों के लिए ब्याज की हैं और उनके संभावित सामाजिक प्रभाव के लिए भुनाई के मूल्य है, इस आकार शासन विशेष रूप से प्रयोग में पाया गया कि कई चुनौतियों से भरा है।
कंप्यूटर सिमुलेशन वैज्ञानिकों और इंजीनियरों को केवल समय और कम्प्यूटेशनल संसाधनों द्वारा सीमित वातावरण की एक विशाल विविधता में विशेष परीक्षण करने के लिए अनुमति देते हैं। आणविक गतिशीलता (एमडी) सिमुलेशन उपयुक्त समय की अनुमति और लंबाई कई nanomaterials के में ब्याज की घटनाओं का अध्ययन करने के लिए तराजू। सिमुलेशन टी की बाधाओं को हटाने के द्वारा सामग्री के अध्ययन का विस्तारहालांकि उन्होंने कहा कि कई कम्प्यूटेशनल उपकरण अनुसंधान के लिए सुलभ, सहज ज्ञान युक्त इंटरफेस भौतिक प्रयोगशाला की कमी है। मॉडल की चित्रमय प्रदर्शन, कुशल कम्प्यूटेशनल एल्गोरिदम, और ग्राफिकल प्रसंस्करण इकाई (GPU) आधारित कंप्यूटिंग के साथ संवर्धन वर्तमान सिमुलेशन के प्रयासों के पूरक हैं। इन नए ग्राफिक्स उपकरणों गणितीय गहन गणना GPU द्वारा पूरा किया जा करने के लिए अनुमति देने के लिए कुशलतापूर्वक सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट के साथ गठबंधन। परिणाम 20x करने के लिए ऊपर से बिजली की खपत में कमी के साथ 10x के आदेश पर गणना के लिए एक प्रभावी त्वरण है।
इस शोध परियोजना के लक्ष्य को विकसित करने और सीधे एमडी सिमुलेशन, सामग्री विज्ञान विश्लेषण और 3 डी दृश्य के लिए एक इंटरैक्टिव इंटरफ़ेस जोड़ता है, nanoscience जांच के लिए एक उपन्यास उपकरण को लागू करने के लिए किया गया था। अद्वितीय और शक्तिशाली विश्लेषण क्षमताओं के साथ इस नए सिस्टम के अन्य रिलायंस एनर्जी के लिए प्रत्यक्ष प्रभाव के साथ, यूसी Merced में नेनो पैमाने अनुसंधान और शिक्षा के लिए इस्तेमाल किया गया है ऐसी शिक्षा और समाज के लिए नैनो, भौतिक विज्ञान, जीव विज्ञान, और भूविज्ञान और परम लाभ के रूप में पैदा स्टेम खेतों।
3 डी / वी.आर. दृश्य प्रणाली के रूप में दोनों के निर्माण और एक इंटरैक्टिव 3 डी आभासी वास्तविकता (वीआर) वातावरण में परमाणु संरचना के हेरफेर की अनुमति देता है जो एक अनुसंधान और शिक्षण साधन लागू किया गया था। प्रणाली मूलतः यूसी डेविस एक में डॉ ओलिवर Kreylos द्वारा विकसित मॉडल के बाद अपेक्षाकृत कम लागत और सुलभ घटकों का एक सेट से बनाया गया था।
नीचे से लेबल महत्वपूर्ण घटकों (चित्रा 1) के साथ अंतिम 3 डी / वी.आर. दृश्य प्रणाली लेआउट की एक तस्वीर है। इस प्रणाली के मूल मूल 3 डी / वी.आर. प्रणाली के कार्यान्वयन की समीक्षा की सहकर्मी प्रकाशनों के परिणामस्वरूप 2009 में यूसी Merced में शिक्षा के उद्देश्यों के लिए स्थापित किया गया था 2-3। 1 टेबल के नीचे 3 डी / वी.आर. दृश्य प्रणाली के प्रत्येक तत्व के लिए प्रमुख विशेषताओं का सार।
ntent "के लिए: रख-together.within पृष्ठ =" हमेशा ">
चित्रा 1. 3 डी / वी.आर. दृश्य प्रणाली और UCM और दृश्य उपकरणों (दाएं) पर Davila अनुसंधान प्रयोगशाला में मुख्य घटकों (बाएं)। इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
| मद | अवयव | सिस्टम में कार्यक्षमता |
| एक | 3 डी टीवी | मॉडलिंग की आणविक संरचना का 3 डी प्रदर्शन और ऑन-स्क्रीन मेनू। |
| बी | इन्फ्रारेड (आईआर) ट्रैकिंग कैमरों 4 | आईआर कैमरों 3 डी टीवी के सामने उपयोगकर्ता कार्यक्षेत्र में Wiimote और 3 डी देखने के काले चश्मे का ट्रैक की स्थिति, की अनुमति के वीरप्रदर्शित संरचनाओं के असली 3 डी हेरफेर। |
| सी | ट्रैकिंग पीसी | आईआर कैमरा ट्रैकिंग सॉफ्टवेयर चलाता है और मॉडलिंग कंप्यूटर के लिए Wiimote और 3 डी आंख मारना पदों पर पहुंचाता है। |
| डी | Wiimote | मॉडलिंग सॉफ्टवेयर के परदे पर प्रबंधन के लिए इस्तेमाल और 3 डी आभासी वातावरण में संरचनाओं में हेरफेर करने के लिए। |
| ए | 3 डी चश्मे 5 | 3 डी टी वी आईआर संकेत के साथ सिंक्रनाइज़, संरचना के 3 डी देखने की अनुमति है। सही 3 डी दृश्य के लिए आईआर कैमरों द्वारा ट्रैक की स्थिति। |
| एफ | मॉडलिंग पीसी | , NCK / VRUI 3 डी मॉडलिंग और प्रदर्शन सॉफ्टवेयर 6 रन सटीक 3D आणविक संरचना दृश्य बनाने के लिए आंख मारना / Wiimote के स्थिति और नियंत्रण संकेतों स्वीकार करता है। |
UCM में 3 डी / वी.आर. दृश्य प्रणाली के मुख्य तत्वों की तालिका 1. कार्यशीलता।
DESCRIPTIO3 डी / वी.आर. दृश्य प्रणाली और बुनियादी घटकों के एन:
3 डी / वी.आर. दृश्य प्रणाली अवलोकन – 3 डी / वी.आर. दृश्य प्रणाली आईआर कैमरा और एक उपयोगकर्ता अंतःक्रियात्मक 3 डी आणविक संरचना बनाने के लिए अनुमति देने के लिए 3 डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर के साथ संयोजन के रूप में सक्रिय ट्रैकिंग सॉफ्टवेयर का एक सेट के होते हैं। आईआर कैमरों और सॉफ्टवेयर आईआर मार्कर का उपयोग कर एक Wiimote और 3 डी देखने चश्मे के 3 डी स्थान पर नज़र रखने के लिए, और मॉडलिंग सॉफ्टवेयर करने के लिए इस गुजरती हैं। मॉडलिंग सॉफ्टवेयर सिंक्रनाइज़ और पता लगाया 3 डी चश्मे के साथ एक 3 डी-सक्षम बड़े प्रारूप टीवी के संयोजन का उपयोग कर देखा जा सकता है 3 डी आणविक संरचना उत्पन्न करने के लिए Wiimote के नियंत्रण का संकेत है और आंदोलन का उपयोग करता है। इस उपयोगकर्ता गतिशील बनाने के लिए और मॉडलिंग सॉफ्टवेयर में इस्तेमाल अंतर-परमाणु ताकतों के आधार पर (चित्रा 2) वास्तविक दुनिया शारीरिक व्यवहार को दर्शाते हैं जो आभासी आणविक संरचना में हेरफेर कर सकते हैं जिसके भीतर एक 3 डी आभासी वास्तविकता कार्यक्षेत्र में यह परिणाम है। विशेष consideratiइस प्रणाली स्थापित करने के लिए ons पूरक सामग्री में पाया जा सकता है।
चित्रा 3 डी / वी.आर. दृश्य प्रणाली का उपयोग करते हुए सिलिका nanomaterials के जांच 2.। (क) एक शोधकर्ता GPU आधारित सिमुलेशन से पहले एक प्रारंभिक क्रिस्टोबलाइट मॉडल (स्फटिक) बनाता है। (ख) (क), एक अन्य शोधकर्ता एक सिलिका गिलास मॉडल (गैर क्रिस्टलीय) प्राप्त में दिखाए गए मॉडल पर एक नकली एमडी पिघल-बुझाना प्रक्रिया के प्रदर्शन पर। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
3 डी / वी.आर. दृश्य प्रणाली संवर्धन – एमडी सिमुलेशन क्षमता:
सिमुलेशन सिस्टम सामान्यतः एक में लागू कर रहे हैं आणविक गतिशीलताबहु नोडल फैशन, वह यह है कि एक बड़े काम का बोझ प्रोसेसर के हजारों के दसियों के बीच वितरित या parallelized है। हाल ही में, त्वरित वैज्ञानिक कंप्यूटिंग के लिए अतिरिक्त अवसर कंप्यूटर ग्राफिक्स प्रसंस्करण के क्षेत्र में विकास के बाहर पैदा हुई है। इन अग्रिमों वैज्ञानिकों ग्राफिक्स चिप्स के लिए आंतरिक संसाधन शक्ति का अत्यधिक समानांतर प्रकृति का लाभ लेने के लिए अनुमति देता है एक सॉफ्टवेयर इंटरफ़ेस शामिल हैं। कंप्यूट एकीकृत उपकरण वास्तुकला या CUDA 7 के आगमन के साथ, वैज्ञानिकों बुनियादी ढांचे की लागत को कम करते हुए समस्याओं के हल कर रहे हैं, जिस पर गति को बढ़ाने के लिए GPUs के आठ उपयोग कर सकते हैं। एक ठेठ GPU के बारे में जानकारी के प्रसंस्करण के लिए कोर के हजारों या "" नोड के लिए सैकड़ों के बराबर हो सकता है, और इन प्रत्येक समानांतर में इस्तेमाल किया जा सकता है, के रूप में एक अच्छी तरह से कोडित समाधान अपने मल्टी कोर समकक्ष के खिलाफ throughput के त्वरण 1,000x अप करने के लिए प्रदान कर सकता है । हर समस्या इस दृष्टिकोण के लिए अच्छी तरह से अनुकूल नहीं है, हालांकि वर्तमान एमडी सिमुलेशन 15 तक देखा हैएक्स throughput प्रदर्शन 9 लाभ। 3 डी / वी.आर. दृश्य प्रणाली एमडी-GPU के वृद्धि पर विवरण पूरक सामग्री में पाया जा सकता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
3 डी / वी.आर. दृश्य प्रणाली के सफल स्थापना और उपयोग में महत्वपूर्ण तत्व भौतिक वातावरण और डिजाइन संबंधी और पूरक सामग्री में विशेष ध्यान में विस्तृत रहे हैं। महत्वपूर्ण स्थापना विचार आराम से …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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) |
References
- Doblack, B. N., Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. The emergence of immersive low-cost 3D virtual reality environments for interactive learning in materials science and engineering. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1320, (2011).
- Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. Enhancing materials research through innovative 3D environments and interactive manuals for data visualization and analysis. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1472, (2012).
- . 3D goggle source. , (2013).
- . “3D/VR Visualization System – Startup and Shutdown Protocol” and “3D/VR Visualization System – CNT Modeling Example” documents Available from: https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/3d-vr-visualization-system-dissemination-of-research-results-and-products (2013)
- . MDCASK molecular dynamics code Available from: https://asc.llnl.gov/computing_resources/purple/archive/benchmarks/mdcask (2013)
- Feuston, B. P., Garofalini, S. H. Empirical three-body potential for vitreous silica. J. Chem. Phys. 89 (9), 5818-5824 (1988).
- Dávila, L. P., et al. Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure. Phys. Rev. Lett. 91 (20), 2055011-2055014 (2003).
- Doblack, B. N. . The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems. , (2013).
- Meagher, K. A., Doblack, B. N., Ramirez, M., Dávila, L. P. Scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3D visualization. J. Vis. Exp. In-Press, .
- . University of California Television (UCTV). Our Digital Life series: The Future: Teaching and Life-Saving Tools episode. , (2013).
