Ядро технологии виртуальной реальности для визуализации наноструктур и нанотехнологических процессов. Качественное повышение творческих возможностей исследователей за счёт повышения наглядности

       Это ядро предназначено для визуализации результатов проектирования с помощью технологий 3D виртуальной реальности на основе открытых кроссплатформенных библиотек графических функций OpenGL (www.opengl.org, рис.50, рис.51, рис.61) [147; 148]. Оно обеспечивает возможности интерактивного проектирования на основе технологий 3D стереоотображения информации. Предусматривается погружение разработчика НЭ внутрь 3D виртуального наномира для активизации и интенсификации его творческих и профессиональных возможностей [85; 86].

Рис.50. Внешний вид интерактивного рабочего места оператора-экспериментатора.

Итерационное численное решение 2D уравнения Шрёдингера – решение 2D барьерной задачи определения вероятности туннелирования электрона, описываемого 2D Гауссовым волновым пакетом ψ-функции, через барьер с 2D топологией типа «остриё—антиостриё». Для 2 D вещественной Re(ψ(x; y)) и 2 D мнимой Im(ψ(x; y)) частей уравнения решения вычисляются отдельно. Затем сводятся в общее 2D решение – вычисляется на основе условий нормировки волновой ψ-функции 2D распределение плотности вероятности обнаружить электрон в точке (x;y): ρ(x; y)=[(Re(ψ(x; y)))²+(Im(ψ(x; y)))²]^1/2,

с учётом соотношения неопределённости Гейзенбергера, разумеется. 2D визуализация функциями GDI (Graphic Device Interface). 3D визуализация функциями OpenGL (Open Graphic Library).

Разработка ЗАО КБ «Алмаз-37», 2007 год.

Рис.51. Внешний вид интерактивного рабочего места оператора-экспериментатора.

Итерационное численное решение уравнения Шрёдингера – решение 2D барьерной задачи определения вероятности туннелирования электрона, описываемого Гауссовым волновым пакетом ψ-функции, через барьер с 2D топологией типа «остриё—антиостриё». 2D визуализация функциями GDI. 3D визуализация функциями OpenGL. Разработка ЗАО КБ «Алмаз-37», 2007 год.

       Разработка перспективного пользовательского интерфейса (рис.52—рис.60) для нанотехнологических и бионанотехнологических систем на основе технологий виртуальной реальности (Virtual Reality – VR) превратилась в отдельное бурно развивающееся научно-инженерное направление, имеющее как теоретический, так и прикладной характер. При моделировании наномира и погружении в него оператора воссоздается обратная связь, действующая не только на зрение оператора через 3D стереоизображение в стереоочках, но и на осязание – как реакция сопротивления атомов, фрагментов макромолекул и субмолекулярных нанообъектов, и даже на слух. Для определения сопротивления передвигаемых виртуальных атомов, молекул и субмолекулярных нанообъектов применяется методы молекулярной динамики (MD) – компьютерная техника на основе уравнений движения взаимодействующих атомов [60; 85; 86].

       В методах MD используются законы классической механики – закон Ньютона:

,                                                         (5.5.1)

для каждого -того атома в системе из  атомов. Здесь – сила взаимодействия -того атома с другими атомами,  – масса -того атома, – ускорение -того атома:

.                                                     (5.5.2)

Моделирование с помощью MD основаны на вычислении свободной энергии, которая реализуется при переходе системы взаимодействующих атомов из начального состояния в конечное. В цифровой форме на основе уравнений движения вычисляются координаты и траектории движения атомов в молекулярной системе. При этом используются эмпирические данные, отображающие фактически существующие межатомные силы. MD-моделирование требует огромной вычислительной мощности современных и перспективных многопроцессорных параллельных СуперЭВМ, оптимизированных для графических вычислений типа 6-ти процессорного ONIX 3200 от Silicon Graphic Inc. (www.mindflux.com.au/products/vti/cybergrasp.html, www.sci.com/visualization/onyx/ir/, www.t-platforms.ru,  www.hlrs.de/organization/vis/covise/,  www.fakespace.com/cave1shtml, www.niivk.ru) [85; 86]. Данные, использующиеся в вычислениях (5.5.1) и (5.5.2), включают:

· общее число атомов на единицу объёма,

· координаты атомов,

· скорости атомов,

· ускорения атомов,

· силы, действующие на каждый атом,

· энергетический вклад каждого атома в общую энергию молекулярной системы.

Рис.52. Блок-схема теленанороботизированной системы. S.Horiguch et al. «Virtual Reality User Interface for Teleoperated Nanometer Scale Object Manipulation», Proceedings of the 7th International IEEE Workshop on Robot and Humman Communication,  ROMAN’98, pp.142—147, Takamatsu, Япония, 1998. [85].

Рис.53. Блок-схема виртуального окружения для моделирования методом молекулярной динамики (MD). Eurographic Association, 1998, [85; 86].

       Результаты MD-моделирования необходимо визуализировать для того, чтобы дать оператору интуитивное понимание моделируемых процессов, чувственную обратную связь с ними, возможность вмешиваться и управлять событиями, чувствуя объективные физические ограничения, определяемые многомерной системой уравнений на основе (5.5.1) и (5.5.2).   

           Вычислительное регулирование (Computational steering and visualization of complex molecular systems) – способность пользователя проектировать или изменять процесс и параметры MD в интерактивном режиме в виртуальной окружающей среде в режиме реального времени (рис.53). Такой подход имеет огромное преимущество перед визуализацией и анализом результатов моделирования. Во время моделирования, регулирующемся пользователем, он не должен ждать до конца моделирования, чтобы видеть его результаты. Он может в интерактивном режиме немедленно видеть результат изменения параметров. Это даёт ему возможность управлять процессом моделирования и вести его к заданному результату. В вычислительном регулировании пользователь может регулировать молекулярную динамику, применяя в вычислениях внешние силы. Эти внешние силы могут помочь сложной молекулярной системе, преодолеть потенциальный энергетический барьер. Могут даже преобразовать систему к новой 3D топологии для дальнейшего анализа.

       Обеспечивается большое преимущество перед целевой молекулярной динамикой (Targeted MD), которая также предназначается для достижения заданного результата, но в котором пользователь не может управлять моделированием после его сначала. Другое преимущество регулированной молекулярной динамики (Steering MD) перед обычной молекулярной динамикой – возможность стимулирования относительно больших конформационных изменений в молекулах в наносекундном временном диапазоне. Вычислительное регулирование молекулярной динамики при помощи визуализации виртуального мира может помочь ученым и исследователям изучать новые модели, их структурное поведение и также изучать упругое механическое поведение возможных сложных молекулярных бионанотехнологических систем.

Рис.54. Пользователь системы виртуальной реальности (room-size display) работает с 3D моделью протеина в режиме CAVE [85; 86]. Delaware Biotechnology Institute, University of Delaware.

Рис.55. Пользователь системы виртуальной реальности «берёт руками атомы углерода» для манипуляций над графеновой (двумерный графит) плёнкой. NASA Ames Research Center [85; 86], www.nas.nasa.gov/About/Gridpoints/PDF/ nasnews_V04_N02_1999.pdf

Рис.56. 3D модель молекулы может быть взята кибернетической перчаткой и передвинута в новую позицию. Eurographic Association, 1998, [85; 86].

Рис.58. 3D меню, которое можно активировать для выбора опций с помощью кибернетической перчатки – это то, что видит пользователь внутри виртуального окружения. Eurographic Association, 1998, [85; 86].

Рис.59. Пользователь пакета STALK внутри виртуального наномира работает с молекулами протеина, Argonne National Laboratory, [85; 86], http://www-fp.mcs.anl.gov/ccst/research/reports_prc1998/ comp_bio/stalk/docking.html

Рис.60. Пользователь пакета STALK внутри виртуального наномира работает с молекулами протеина, Argonne National Laboratory, [85; 86], http://www-fp.mcs.anl.gov/ccst/research/reports_prc1998/ comp_bio/stalk/docking.html

Рис.61. Виртуальная модель двух смежных электростатически связанных 900-ШКТ (QCA): зелёные прозрачные цилиндры – КТ; красные сферы – электроны; (www.qcadesigner.ca/).	Рис.62. Виртуальная модель двух смежных электростатически связанных 450-ШКТ (QCA): зелёные прозрачные цилиндры – КТ; красные сферы – электроны;  (www.qcadesigner.ca/).
Рис.63. Виртуальная модель мажоритарного вентиля на ШКТ (QCA) (www.qcadesigner.ca/).	Рис.64. Виртуальная модель мажоритарного вентиля на ШКТ (QCA) (www.qcadesigner.ca/).