用于分子动力学模拟、可视化与分析的新型3D/VR交互环境

本实验的总体目标是可视化并分析三维真实世界纳米结构的行为。首先，通过构建具备模拟功能的交互式三维可视化系统来实现这一目标；第二步是在交互式环境中构建并研究三维纳米结构。

接下来，从选定的块体材料制备三维纳米螺旋结构，并利用该系统进行拉伸或其他模拟。最后一步是可视化并分析该纳米结构在三维真实世界中的原子级行为。最终，本研究中的三维可视化系统可用于通过分子动力学（MD）模拟研究真实的纳米结构，推动材料创新研究。

我在加州大学戴维斯分校时就有了这种方法的想法，当时我正与奥利弗·克雷戈博士合作，研究这项技术在材料科学领域的科研与学习中的应用。三维可视化和交互是计算材料探索与分析的重要工具。我们希望这项工作能够帮助其他人进一步拓展相关研究。接下来，我实验室的研究生米格尔·迪亚兹将为大家进一步演示该实验流程。

首先，在靠近天花板处、3D 电视前边缘正上方安装一个刚性相机悬架框架，以获得最佳覆盖范围。将三个红外（ir）相机安装在万向支架上，并置于 3D 电视前左角、前右角及前中心位置的正上方。

确保每个摄像头的覆盖角度刚好触及电视的前表面。接下来，按照文本方案中的描述组装并配置3D虚拟现实（3D VR）可视化系统的设备和软件，小心地将控制器放置在从建模计算机旁易于触及的位置，注意不要触碰或移动附着在其上的球形红外追踪标记。同时，将3D眼镜小心地放置在电视支架上，避开反射标记，以免影响后续的设置。

如文本方案中所述，在建模计算机桌面上的跟踪计算机上打开一个包含多个选项卡的终端窗口。在建模计算机的命令窗口中输入 IP config，以验证以太网适配器的 IP 地址。打开一个终端窗口选项卡，并在 VR devices.dot cfg 文件中检查服务器名称是否指定了跟踪计算机上以太网适配器的 IP 地址。

等待 OptiTrack 刚体工具软件完全打开。然后单击顶部菜单附近标有“加载校准结果”的大按钮。浏览并打开相应的相机校准文件。

文件加载完成后，单击文件菜单并选择加载刚体定义。在跟踪软件右侧的窗格中，浏览并打开与被追踪控制器和3D护目镜对应的适当刚体定义文件。找到标记为“流传输”的部分，并展开VRPN流传输类别下的该部分。

确认所列出的端口号为 3 8 8 3，并在建模计算机的 VRPN 流引擎类别中勾选广播帧数据框。打开本会话中先前创建的终端窗口中的一个标签页，导航至并启动 VR 设备守护进程软件。

接下来，根据提示同时按下 WiMo 上的按钮一和按钮二。如果操作成功，窗口将在此前创建的建模计算机终端窗口中显示 VR 设备服务器正在等待客户端连接。选择第三个选项卡以启动 NCK 软件。

进入 NCK 安装目录，输入此处显示以及文本方案中列出的命令，操作时务必小心，不要触碰或松动已安装的追踪标记。戴上 3D 护目镜并拿起控制器。调整头戴护目镜的观看位置，确保 3D 护目镜接收到 3D 电视红外发射器的同步信号，从而能够在电视显示器上实现 3D 虚拟现实观看，以便使用工具集添加、移动和删除原子。

通过先按住并持续按下Wiimote的Home按钮，调出NCK主屏幕菜单，从而将NCK命令关联分配给控制器上的按钮。导航至并选择“覆盖工具”菜单项，然后松开Home按钮。这样即可独立地将不同命令分配给控制器上的各个按钮。

要将 WiMo 触发按钮与在 NCK 中操控原子的操作相关联，请按住触发按钮。在屏幕上的 NCK 菜单中导航至 dragger，选择六自由度拖动器，然后松开触发按钮。此时触发按钮已与操控原子的操作相关联。

要将添加原子的功能分配给Wiimote上的加号按钮，请按住Home按钮以调出主菜单。导航至结构单元类型并选择三角形，然后松开Home按钮。接下来，按住加号按钮，并像之前一样选择六自由度拖动器。

然后松开加号按钮。此时加号按钮已设置为创建新原子，本例中为所选类型的碳原子，以三角形表示。要将删除原子的功能分配给Wiimote上的减号按钮，请按住Home按钮以调出主菜单。

然后导航至结构单元类型并选择删除选定的单元。在松开主按钮之前，按住减号按钮，然后像之前一样选择六自由度拖动器。接着松开减号按钮。

减号按钮现在用于删除原子。采用类似步骤，将锁定所选单元的功能分配给 WiMo 控制器上的一个按钮，将解锁所选单元的功能分配给另一个控制器上的两个按钮。控制器按钮配置完成后，使用 NCK 创建碳纳米管：首先按下加号按钮，在 NCK 工作区中添加两个具有三个键的三角形碳原子。

使用触发按钮操作这些结构，直至它们在一个顶点处连接。然后添加四个碳原子，形成一个六角星形结构。通过主菜单进入输入输出菜单，再进入保存单元，将这个六角结构从当前位置移开。

现在使用主菜单再次导航至输入输出菜单，然后加载单元。重复最后两个步骤，直到创建出一个由六边形六原子环组成的 6×6 薄片。

使用单个按钮锁定功能，选择顶行中的一个原子和底行中相对的另一个原子，被锁定的原子将用粉色标记。按下触发按钮，小心地沿圆弧路径移动其中一个被锁定的原子，直至其释放。此时，该原子的顶点将接近相对侧被锁定原子的自由顶点。

成功连接后，使用两个按钮解锁这两个原子。以类似方式继续锁定、连接并解锁碳片上的对位顶点，从而有效地将片层“拉链式”折叠成最终的碳纳米管。

将初始的结晶二氧化硅立方模型导入3D VR NCK软件，并分析其初始结构。对该初始有序结构执行熔融淬火模拟过程，以生成非晶态二氧化硅结构。然后将所得的新型无序二氧化硅模型导入3D VR NCK软件，并分析其结构。

利用新型非晶态固体制造二氧化硅纳米弹簧或纳米带。使用开源代码“纳米弹簧雕刻器”及其相关操作说明。采用LAMMPS分子动力学软件包对纳米弹簧或纳米带进行拉伸模拟，具体方法见其他文献报道。

最后，使用开源软件工具，如分子动力学可视化程序、ImageMagick 和 FFmpeg，对整个模拟过程或在 3D 虚拟现实可视化系统中的螺旋纳米结构生成快照和动画。本文所述的方案展示了如何构建一个集成化实验系统，用于实现高性能的原子级模拟以及纳米结构的交互式 3D 可视化。借助该 3D 虚拟现实可视化系统，可以构建并研究具有真实原子行为的复杂纳米结构，例如碳纳米管。

随后，创建了二氧化硅螺旋纳米带，并对其施加模拟拉伸载荷，通过三维可视化手段展示模拟结果，以研究该纳米结构在拉伸条件下的结构转变与失效行为。观看本视频后，您应能够利用实验室中的此类三维可视化系统，分析并可视化任意纳米结构模型的行为。