用于分子设计及模拟的系统和方法与流程

本申请要求2016年5月26日提交的美国临时申请no.62/341,869和2017年5月24日提交的美国申请no.15/604,305的权益，其全部内容通过引用并入本文。

所公开的技术一般涉及分子设计和模拟，更具体地，涉及与分子设计和模拟系统进行的用户交互。

背景技术：

可以通过使用在计算机上运行的模拟软件来执行分子、原子和/或亚原子结构的研究和设计。这些系统可以存储与被模拟的特定结构相关的信息，并且这些结构的模拟可以基于构成所模拟结构的原子及/或亚原子颗粒之间的物理和/或化学相互作用的数学近似法。

技术实现要素：

本公开的系统、方法和设备各自具有若干创新方面，其中没有一个方面单独负责本文公开的期望属性。

在一个方面，提供一种用于模拟分子结构的系统。该系统可包括配置成模拟分子结构的处理器；头戴式显示器(hmd)，配置为显示分子结构；以及至少一个手持输入设备，被配置为：接收来自用户的输入，该输入指示手持输入设备在6个自由度(dof)中的移动，并且基于额外的用户输入和所述分子结构的至少一种属性，选择性地将dof之一映射到用于改变所述分子结构的多种限定技术之一，其中所述处理器被配置为基于被映射到所选择限定技术的所接收的输入更改所述分子结构。

在另一方面，提供一种系统，包括配置成模拟分子结构的处理器；以及至少一个输入设备，被配置为：接收来自用户的输入，该输入指示输入设备在6个自由度(dof)中的移动，并且基于额外的用户输入和所述分子结构的至少一种属性，选择性地将dof之一映射到用于改变所述分子结构的多种限定技术之一。

在另一方面，提供一种用于模拟分子结构的方法。该方法可以涉及生成包括分子结构的虚拟现实(vr)视频流；接收来自至少一个手持设备的输入，所接收的输入指示手持输入设备在6个自由度(dof)中的移动；基于额外的用户输入和所述分子结构的至少一种属性，选择性地将dof之一映射到用于改变所述分子结构的多种限定技术之一；以及基于被映射到所选择限定技术的所接收的输入更改所述分子结构。

附图说明

在下文中将结合附图和附录来描述所公开的方面，提供这些附图和附录是为了说明而不是限制所公开的方面，其中相同的标号表示相同的元件。

图1是根据本公开的方面可以模拟分子结构的示例性计算机系统。

图2a和图2b示出根据本公开各方面的输入设备的实施例。

图3是根据本公开各方面的示例性输出设备的图示。

图4是根据本公开各方面的用户与所模拟分子结构之间的示例性交互的图示。

图5是根据本公开各方面的材料属性的绘制的图示。

图6是说明根据本发明各方面的可由手持输入装置操作以模拟分子结构的示例方法的流程图。

具体实施方式

本公开的实施方案涉及用于基于被模拟结构的原子和/或亚原子信息来模拟和设计分子结构的系统和技术。本公开的各方面涉及在各种尺度范围上模拟这种结构，其可以在低端上包括由已知和/或理论的亚原子颗粒组成的结构。可以根据这些亚原子颗粒或原子颗粒构建更大尺度的结构，并且通过这些颗粒的组合，向结构添加额外的颗粒，形成越来越大和复杂的结构。模拟结构的尺寸仅在上端受到执行模拟的系统(例如，计算机和/或服务器)的存储器和处理能力的限制。为了便于描述，如本文所用，“分子结构”可以指任何上述结构，其可以由计算机系统模拟，包括亚原子、原子、生物、药物和半导体材料、以及可以通过这种结构的组合构建的任何其他结构。因此，术语“分子结构”不限于分子的尺度，除非相应描述的上下文需要如此限定。

图1是根据本公开的方面可以模拟分子结构的示例性计算机系统。图1中示出的系统100包括：处理器110、存储器115、一个或多个输入设备120、以及一个或多个输出设备125。在不脱离本公开的情况下，还可以包括额外的处理器110和/或存储器115。

处理器110可以执行与分子结构的模拟和/或设计相关联的数学计算。处理器110还可以被配置为执行与从输入设备120接收信息和/或指令相关联的各种任务，并且提供要经由输出设备125显示的信息。输出设备125可以被配置为通过除传统图像显示之外的技术向用户提供反馈，这些技术包括通过如下面将更详细描述的触感反馈和其他反馈技术。存储器115可以存储与分子结构的模拟有关的信息、以及处理器110在执行与分子结构的模拟和/或与输入设备120和输出设备125的通信相关任务的性能时所需的指令。在某些实施例中，存储器115是非暂时性计算机可读存储介质，其存储由处理器110执行的指令。

图2a和图2b示出根据本公开的方面的输入设备的实施例。具体而言，图2a示出可由系统100的用户握持的物理控制器200(也称为手持输入设备或简称为控制器)。控制器200的一个示例是htcvive^tm控制器。然而，本公开不限于该示例，并且可以使用其他输入设备作为输入设备120，而不脱离本公开，在下面提供其他输入设备的示例。

在图2a的实施例中，控制器200被设计成经由用户的一只手由系统100的用户握持并且包括多个按钮205、210、215、220和225，这些按钮可以被定位为在使用中被用户的一个手指致动(例如，按下)。当体现为htcvive^tm控制器时，这些按钮可以包括触发按钮205、一个或多个抓握按钮210、热按钮215、拇指垫220和/或蒸汽菜单按钮225。这些按钮可以是数字按钮，具有开/关状态；或可以是模拟按钮，包括完全打开和完全按下之间的多个状态。按钮205-225中的一个或多个也可以体现为触控板，使得用户能够沿着触控板移动一个或多个手指，指示用户手指的2d位置。用户可以通过各种按钮205-225的致动以及通过空间移动控制器，经由一个或多个控制器200(通常是一个或两个控制器200)与系统交互。

图2b示出根据本公开的方面可以包括在(多个)输入设备120中一个和/或图2a所示控制器200中的多个组件。例如，控制器200可以包括按钮输入203(诸如按钮205至225)、无线通信接口230、空间定位传感器235、旋转传感器240和处理器250。无线接口230可以被配置为与处理器110通信的系统100的相应无线接口(未示出)通信，以便与处理器通信。然而，控制器200不限于无线接口230，并且在其他实施例中，可以包括连接到处理器110的对应有线接口(未示出)的有线接口(未示出)。

空间传感器235可以确定控制器200的空间定位，而旋转传感器240可确定控制器200的旋转定位。空间传感器234和旋转传感器240可以完全自给自足，或者可以与辅助设备或一个或多个基站(未示出)一起工作。在一些实施例中，空间传感器235和旋转传感器240(其可以一起称为定位传感器235和240)也可以组合成单个传感器，其可以产生信息，根据该信息，处理器250和/或处理器110可以确定控制器200的空间和旋转定位。在一个实施例中，定位传感器235和240可以包括陀螺仪。在另一实施例中，定位传感器235和240可包括一个或多个发光二极管(led)(未示出)。基站可以检测从led发射的光，并且处理器110可以基于由基站获得的图像的视场内光的位置来计算led(并且因此控制器200)的位置。在另一个实施例中，基站可以发射定位在控制器200上的光探测器(未示出)可以检测到的光，处理器250及/或110可以根据该光确定控制器的定位。在又一个实施例中，基站和控制器200中的一个或多个可以检测其他信号，例如声信号、磁信号等。在其他实施例中，控制器200可能够在不需要基站的情况下绘制环境的地图，例如通过根据由定位在控制器200上的图像传感器所获取的图像来建立环境的模型。

空间传感器235和旋转传感器240与处理器250一起使得控制器200能够测量控制器200的空间和角度位置及其变化，从而使用户能够移动和/或旋转控制器200而作为系统100的输入。用户对控制器200的这些移动和旋转的类型通常可称为“手势”。控制器200被配置为将控制器的6dof移动解释为从用户接收的输入。如下面更详细讨论的，控制器200可以被配置为将控制器200的dof中的至少一个映射到用于改变分子结构的多种限定技术中的一种。可以响应于用户输入(例如，按钮205-225之一的致动)并且基于分子结构的至少一个属性来执行该映射。

由于控制器的主体是刚性的，所以可以由自由空间中刚体的移动的六个自由度(6dof)来限定控制器的移动和旋转。这些包括刚体的空间位置，其可以相对于沿三个轴(例如，x轴、y轴和z轴)的限定坐标系来测量。旋转自由度可以限定为沿三个旋转轴(例如，滚动、俯仰和偏航)的旋转运动。因此，控制器200的空间定位可以在任何给定时间点由表示控制器200的6dof的六个值限定。以上描述的坐标系仅仅是示例性的，并且可以使用限定控制器200的6dof的任何其他方法，而不脱离本公开。例如，也可以使用极坐标和球坐标系统。

尽管上面描述了手持控制器200，但是所描述的技术可以应用于其他类型的输入设备120。例如，控制器200与一个或多个基站之间的通信可以基于在其间传递的电磁(em)信号。在一个实现中，基站可以生成em信号，控制器可以使用定位传感器235和240来检测em信号以确定控制器200的6dof定位。在另一个实施例中，控制器200和基站之间的通信基于从控制器200或基站发射的光。如上所述，控制器200可以包括发射由基站检测到的光的led，从中可以确定控制器200的6dof。或者，控制器200的定位传感器235和240可以检测从基站上的led发射的光。

在另一个实施例中，控制器200可以使用超声波发射器和检测器在没有基站的情况下计算控制器的6dof定位。例如，控制器200可以发射超声信号，并且基于在超声检测器处接收的反射信号，生成环境的地图。基于由超声波检测器接收的信号生成的地图的改变可以由处理器110和250中的一个或多个使用，以确定控制器200的位置。在另一个实施例中，控制器200可以使用设置在控制器200上的相机而不是超声波系统来生成环境的地图。因此，可以通过从使用相机获得的图像抽取特征来形象化地绘制环境的地图，以导出控制器200的位置。

在又一个实施例中，在基站上提供的立体相机可以用于绘制用户手的定位。在该实施例中，用户不需要物理控制器200，而是可以直接使用他/她的手作为输入设备。因此，用户可以定位他/她的手并用他/她的手形成各种形状，这些形状可以由基站中的立体相机检测到。类似于控制器200的使用，可以确定用户手的6dof并将其映射到用于与分子结构交互的各种技术。

图3是根据本公开的方面的示例性输出设备的图示。输出设备300被配置为显示从处理器110接收的图像。例如，输出设备300可以显示模拟的分子结构。在某些实施例中，图3的输出设备300可以是头戴式显示器(hmd)，并且可以包括通信接口305、空间定位传感器310、处理器315和显示器320。通信接口305可以是被配置为与系统100的处理器110进行通信的有线或无线接口。处理器315可以被配置为从系统100的处理器110接收信息并且格式化所接收的信息以通过显示器320进行显示。当体现为hmd300时，显示器320可以包括一个显示器，使用光学元件的系统(未示出)分割，以向用户的左眼和右眼提供单独的图像。或者，显示器320可以包括两个显示器，其被配置为生成专用于用户眼睛中相应一个眼睛的图像。提供给用户的两个图像可以模拟深度，使得用户感知所显示图像(例如模拟的分子结构)的三维表示。

空间定位传感器310可以实现为上面结合控制器200的空间传感器235和旋转传感器240描述的传感器中的任何一个。在示例性实施方式中，空间定位传感器310被实施为led，其发射可由基站(未示出)检测的光。hmd300的定位可以由处理器110基于从基站接收的信号来计算。使用hmd300的已知位置，处理器110可以生成与由所显示的图像生成的环境内的用户眼睛的位置相对应的图像。例如，当用户在模拟环境中移动他/她的头部时，发送到显示器320的图像被相应地更新，允许用户体验模拟环境，仿佛他/她在环境中一样。这种系统通常可以称为虚拟现实(vr)系统。

输出设备300还可以体现为增强现实(ar)显示器。ar显示器可以通过允许光通过显示器320、或者通过从安装在输出设备300上的相机(未示出)捕获图像、并且经由显示器320向用户显示由从系统100提供的图像增强的图像，来显示叠加在真实环境上的图像。

然而，所描述的技术不限于可以是头戴式的输出设备，并且还可以使用传统的2d显示器和/或任何其他类型的视觉显示设备来显示模拟的分子结构。另外，输出设备125可以包括使用除视觉反馈之外的技术的反馈机制，例如触感反馈(hapticfeedback)。可以由输出设备125采用的触感反馈的示例包括：颜色反馈、声反馈、触觉反馈(tactilefeedback)等。

分子结构的更改

上述系统100的实施例可以模拟分子结构并使用户能够与模拟结构进行交互以及更改该结构。为了模拟分子结构，存储器115可以存储结构中每个原子和/或亚原子颗粒的原子属性和空间位置。存储器115还可以存储分子结构的原子之间的键合信息。如前所述，较大的模拟分子结构，例如药物结构，可能需要存储比简单的分子结构更大量的定位和原子信息。用于这种分子结构的数据存储格式的示例包括晶体学信息文件(cif)、大分子cif(mmcif)、结构数据文件(sdf)、molfile和蛋白质数据库(pdb)文件。然而，本公开不限于此，并且本公开的各方面可以使用能够编码可用于重建分子结构的信息的任何存储格式。

给定分子结构的模拟还可以取决于所模拟的分子结构的类型。例如，在量子尺度模拟中，处理器110可以使用用于能量的薛定谔方程来模拟原子和/或亚原子颗粒之间的相互作用。可以使用经典的分子动力学来模拟较大的分子。可以由用户选择、或者可以由处理器110基于所模拟的分子结构的尺寸自动确定用于模拟给定分子结构的具体技术。

在传统的分子结构模拟系统中，用户可以使用传统的输入/输出设备(例如键盘、鼠标和监视器)与分子结构交互和/或设计分子结构。然而，这些输入/输出设备可能在向用户显示分子结构的方面以及在用户能够与分子结构相互作用的方面受到限制。例如，分子结构通常是复杂的三维(3d)结构。因此，在传统的二维(2d)监视器上显示这样的结构可能在视野中阻挡了某些部分，因为这些部分可能被更靠近用户视点的分子结构的另一部分阻挡了。类似地，键盘和/或鼠标可能在精确定位和/或与分子结构相互作用方面存在困难。例如，用户可以在2d中移动鼠标，但是使用鼠标的2d输入在3d空间中四处移动指定原子可能是受限制的和/或困难的。

因此，本公开的各方面涉及输入和输出设备和技术，其为用户提供用于与分子结构相互作用的更直观和/或有效的界面。特别地，本公开的某些方面涉及将输入装置120的6dof中的一个或多个映射到用于更改分子结构中多个颗粒的结构的多个限定技术之一。在某些实施方案中，用于操纵分子结构的具体技术可以基于分子结构的类型和/或尺度。

尽管本文结合更改分子结构的单个用户描述了本公开的各方面，但本公开不限于单个用户。例如，多个用户可以各自通过他们自己的输入设备120和输出设备125连接到系统100。当多个用户连接到系统100时，用户可以通过连接到服务器(未示出)的个人计算机(pc)进行连接。服务器可以存储与模拟的分子结构相关的数据，使得每个用户可以查看和操纵分子结构的相同副本。因此，一个用户对分子结构进行的更改也可以由另一个用户查看。多个用户可以同步地或异步地查看和/或更改分子结构。

在一个实施例中，可以使用变换矩阵s更改分子结构，该变换矩阵s限定了用于改变分子结构的方法。下面示出一个这种变换矩阵s的示例。

上述变换矩阵s可以用于限定3d中分子结构的尺寸。例如，变换矩阵s中的值sx、sy和sz(这里也称为“缩放值”)可以用于限定沿相应的x、y和z轴的分子结构的尺寸的缩放。如本文所用，分子结构的缩放通常指基于变换矩阵s中的值sx、sy和sz增加或减少在相应的x、y和z轴中包含分子结构的颗粒的数量，而不是简单地改变由输出设备125或300显示的分子结构的外观尺寸。也就是说，变换矩阵s中的值sx、sy和sz的变化限定了分子结构的结构的变化。

在一个实施例中，使sx的值加倍将导致x轴上分子结构的尺寸加倍。可以改变sx、sy和sz中每一个的值，以按比例更改相应轴中的子结构的尺度。然而，在其他实施例中，沿每个轴的分子结构尺度的更改可以通过其他函数(例如通过指数、线性、对数等函数)与值sx、sy和sz相关。

在示例性实施例中，变换矩阵s的值sx、sy和sz中的每一个可以被映射到控制器200的对应空间位置dof。可以基于用户输入并且基于分子结构的至少一个属性来执行变换矩阵s值sx、sy和sz到控制器200的空间dof的映射。因此，在一个实施例中，可以通过用户沿x轴在空间中移动控制器200来改变沿x轴的分子结构的尺度。用户还可以同时沿多个轴更改分子结构的尺度。例如，用户可以沿着xy平面移动控制器，以改变x轴和y轴每一个中的分子结构的尺度，并且类似地，用户可以通过在所有三个维度上(例如沿着x、y和z轴中的每一个)同时移动控制器200，以在所有三个维度上更改分子结构的尺度。

用户可以向系统100输入命令，以便通过致动按钮205-225中的一个或多个来更改分子结构的尺度。在一个实施方式中，用户可以通过将第一控制器放置在分子结构的一部分的阈值距离内并按下第一控制器200上的按钮205-225中的一个，来“抓取”分子结构。此后，用户可以按下第二控制器200上的另一个按钮205-225并改变两个控制器200之间的距离。两个控制器200之间的距离变化可以用作系统100的处理器110接收的输入，以基于两个控制器200相对于x、y及z轴的相对移动来变更变换矩阵s的值sx、sy和sz。

除了将空间dof映射到变换矩阵s的值sx、sy和sz之外，还可以映射控制器200的旋转dof(例如，滚动、俯仰和偏航)以更改分子结构的某些属性。在某些实施方式中，用户可以通过致动控制器200上的一个按钮来选择性地控制控制器200的6dof映射到用于更改分子结构的一种或多种技术。

此外，控制器200的6dof中的每一个到用于更改分子结构的技术的映射可以基于被模拟的分子结构的属性。可用于确定6dof与更改分子结构的技术之间的特定映射的分子结构的属性的示例包括：分子结构的类型、分子结构的尺度、用于构建分子结构等基础构建块(例如，原子、亚原子颗粒、蛋白质、晶体，脱氧核糖核酸(dna)、碳纳米管等)。

在示例性实施方案中，分子结构可以是晶格。在该实施例中，控制器200的6dof到用于更改晶格的技术的映射可以基于作为晶格的分子结构(例如，处理器110可以响应于确定分子结构是结晶状而自动执行该映射)。由于晶格可以在每个空间方向上延伸(例如，沿着x、y和z轴中的每一个)，因此控制器200的空间定位dof可以映射到分子结构的尺度沿着这些轴的相应变化(例如，通过如上所述改变变换矩阵s中的值sx、sy和sz)。

在一个实施例中，用于结晶分子结构的控制器200的旋转dof可以映射到代表晶格的米勒平面的值。在另一个实施例中，控制器200的旋转dof可以被编码为变换矩阵s中的值，例如，代替如上所示具有值0的变换矩阵s的至少一些值。例如，控制器200的滚动可以映射到(2,3)和(3,2)位置，控制器200的俯仰可以映射到(1,3)和(3,1)位置，并且控制器200的偏航可以映射到变换矩阵s的(1,2)和(2,1)位置。由于每个旋转dof可以映射到变换矩阵s内的两个位置，因此用户能够通过在相应的正方向(例如，在正偏航方向上)旋转控制器200来更改其中一个值并且通过在相应的负方向上(例如，在负偏航方向上)旋转控制器200来更改其中另一个值。变换矩阵s的这些值的变化可以更改晶格的结构，为用户提供用于更改分子结构的额外技术。处理器110可以被配置为响应于确定分子结构是结晶分子结构，执行控制器的旋转dof中的至少一个到用于更改米勒平面的限定技术的映射。

因为给定结晶分子结构的米勒平面的变化可对结构的某些属性产生影响，所以这些变化可用于分子设计。例如，结晶分子结构的米勒平面的变化可以影响结构的电阻。因此，可以经由输出设备300向用户提供反馈机制，允许用户在用户旋转控制器200时实时查看结晶分子结构的电阻的变化，从而更改晶格的米勒平面。

在结晶分子结构实施例中，用户还可以指定对称条件。例如，用户可以选择可以影响分子结构如何产生的3d对称条件。例如，用户可以使用控制器200通过菜单选择3d对称条件。在另一个示例中，用户可以使用控制器的6dof放置用于限定对称性的平面(例如，用于镜像对称的镜像平面)。因此，用户可以经由通过操纵控制器200的6dof直观地定位控制器200来放置对称平面。

在另一个示例性实施方案中，分子结构可以是碳纳米管。由于碳纳米管可以具有仅可以在一个dof(例如，沿着碳纳米管的长度)中缩放的限定结构，因此系统100可以被配置为仅映射控制器200的空间dof中的一个，以更改碳纳米管的尺度。映射到碳纳米管的尺度的更改的控制器200的dof可以基于用户经由输出设备300观察的碳纳米管的取向，并且可以随着用户在模拟环境内移动和/或用户重新定位碳纳米管而不断更新。

当模拟碳纳米管时，控制器200的旋转dof中的至少一个可以映射到碳纳米管的手性(chirality)。因此，用户可以通过在相应的旋转dof中旋转控制器200来更改碳纳米管的手性。在某些实施方案中，碳纳米管的手性可由具有0°和30°之间值的角度表示。因此，在至少一个实现中，控制器200的旋转超过手性的最大值或最小值可导致值被重置。例如，旋转超过30°的值可以导致手征重置为0°并且随着控制器200的进一步旋转而增加。或者，碳纳米管的手性可以在控制器的设定的30°旋转范围内改变，使得控制器在该范围之外的旋转不会改变碳纳米管的手性。

当用户更改手性值时，可以通过输出设备300实时地向用户显示手性值。碳纳米管的手性也可以与碳纳米管的电阻相关。因此，也可以在用户更改手性值实时显示碳纳米管的电阻，以协助用户设计碳纳米管。

用户还可以设计和/或模拟碳带(例如，例如键合碳原子平面也称为石墨烯片)，而不是碳纳米管。在该实施方式中，因为碳带可以沿着其平面被更改，所以可以映射控制器200的两个空间dof以缩放碳带的尺寸。因此，映射到用于更改分子结构的技术的控制器200的dof的数量可以基于被更改的分子结构的属性。

类似于控制器200的dof的映射以更改碳纳米管或碳带的尺寸和属性，控制器200的6dof通常也可以应用于更改具有歧管或n膜薄膜(n-branemembrane)形状的任意分子结构。用于更改歧管尺度的具体技术(例如，通过使用变换矩阵s)可以基于形成歧管的原子之间的化学相互作用。另外，可以识别歧管的属性并将其映射到控制器200的旋转dof，并且可以在控制器200旋转时向用户显示这些属性的值。

图4是根据本公开的方面的用户与模拟分子结构之间的示例性相互作用的图示。具体而言，图4示出虚拟环境400，其中模拟的分子结构是大的生物结构405。尽管结合大的生物结构405描述了该实施例，但是结合图4描述的控制方案和技术也可以应用于其他分子结构，其中用户希望仅更改分子结构的一部分。

在图4的实施例中，用户可能希望仅更改生物结构405的一部分。因此，用户可以选择生物结构405的区域410，在该区域410上将进行进一步的更改。在一个实现中，用户可以通过在区域410周围绘制框来选择该区域410。然而，用户可以通过任何其他方法选择区域410，例如通过将围绕区域410的框的边缘拖动到期望的尺寸。

一旦选择了区域410，就生成区域415的副本。用户可以通过与区域415的副本交互来更改区域410的属性。用户可以通过一个或多个控制器200的6dof移动420将对区域415的副本的更改输入到系统100。如上所述的控制器200的dof之间的上述任何一个映射可以用于更改区域415的副本。用户对区域415的副本的改变可以自动地反映到生物结构405的区域410。

除了对区域415的副本进行改变之外，用户还可以在整个生物结构405之外运行区域415的副本的模拟，而不对原始区域410进行改变。因此，用户可以查看所选区域410的模拟并对区域415的副本进行临时改变，而不影响生物结构415。

在另一个实施例中，用户可以通过将单个颗粒和/或分子结构放在一起来设计分子结构。可以通过颗粒/结构与控制器200移动的一对一移动来执行颗粒和/或分子结构的放置。在一个示例中，用户可以将颗粒和/或结构包装在由数学方程限定的体积中。例如，用户可以限定具有一定体积的球体并沿着球体的表面放置脂质以产生脂质层。此后，用户可以通过将药物包装到脂质层球体中来创建药物结构，从而产生纳米运输设备。然而，几何形状内颗粒的堆积不限于球形，并且分子结构可以包装成任何几何形状，而不背离本公开的方面。

材料属性的绘制

图5是根据本公开的方面的材料属性的绘制的图示。可以绘制的材料属性的示例包括：价格、电阻、拉伸强度等。可以在3d图500上绘制所考虑的每种材料属性，其中每个轴对应于多个材料属性中的一个。但是，当仅考虑两个属性时，可以生成2d图。当某些材料具有可变属性时，也可以示出可能属性的范围，而不是散点图。

可以执行如图5所示的材料属性的绘图，以选择用于分子结构设计的材料。例如，用户可以绘制多个材料属性，并且基于属性的可视化，选择满足特定应用所需的材料属性要求的一种材料。

在图5的具体示例中，$轴可以表示材料的成本，ρ轴可以表示电阻，γ轴可以表示拉伸强度。粗略地由球体示出了可变材料属性505。可能影响绘制的变量属性的其他材料属性510可以重叠在图上。这些属性的示例包括：晶粒尺寸、微观结构、错位、热力学数据等。用户可以使用6dof控制器200选择材料并在分子结构的设计中使用所选材料，如上所述。

可以通过传统的vr交互技术来实现与vr环境的交互。选择技术、所选物体的指示、选择确认(例如，确认选择：事件、手势、语音命令或无明确命令)、基于选择向用户反馈(可包括文本、符号、听觉、视觉，力和/或触觉反馈)。物体的指示可能需要确定物体是否被遮挡、物体是否正在触摸另一物体、用户指向什么、间接选择物体、选择物体列表(例如，物体集合、自动选择的物体集合、图像物体等)、基于用户2d凝视的选择、3d凝视、3d手部选择。所选物体的移动也可以基于一对一的手部对物体的移动或者可以被映射到用户的手部移动的其他方面，例如，将位置变化映射至用户移动的速度、相对于用户的手部一定距离的移动等。

还可以根据传统的vr环境操纵技术来执行用户在虚拟环境中的放置。这些技术包括：外向的隐喻(exocentricmetaphor)、迷你游戏中世界(world-in-mini-game)、自动缩放、自我中心隐喻(egocentricmetaphor)、虚拟手隐喻、“经典”虚拟手、go-go技术、间接go-go技术、虚拟指针器隐喻、射线投射(ray-casting)、口孔(aperture)、闪光灯、图像平面、手部居中的物体操纵延伸式射线投射、缩放世界的抓取、巫毒娃娃等等。

分子模拟与设计的应用

通过本文描述的方面设计的分子结构可用于许多不同的应用中。例如，一旦给定结构的尺寸大于某个阈值，就可以通过3d打印机打印该结构。尽管3d打印对打印物体的分辨率有限制，但是当结构的尺寸大于3d打印机的分辨率时，可以打印使用上述系统设计的结构。

量子点

本文描述的系统100也可用于使用量子点设计结构。量子点(qd)是球形半导体纳米颗粒，其特征尺寸通常在2纳米到10纳米之间，响应于入射的紫外光而发出荧光。qd的光学属性主要取决于两种属性之一：粒度和颗粒组成。通过改变前一类qd纳米颗粒的相对尺寸，可以改变荧光光子的发射波长。减小前一类qd纳米颗粒的(给定组合物的)尺寸增加了它在所有三个物理尺寸中经历的量子限制还增加了其电子传导和价带之间的分离(例如，带隙)；这种尺寸的减小表现为发射的荧光光子的波长的减少(或能量的增加)。

后一类qd响应于组成原子的相对量的变化而经历电子能带结构的变化。例如，给定尺寸的硫硒化镉(cdsxse1-x)纳米颗粒可以简单地通过改变硫原子与硒原子的相对比例而表现出一系列荧光发射波长。因此，两种一般类别的qd是在恒定的成分下利用粒子尺寸上的变化以引出不同波长的荧光光子的那些qd以及在恒定的粒子尺寸下利用成分上的变化以达到类似目的的那些qd。

所描述的技术提供了第一类qd纳米颗粒的工作模型。系统100的用户能够使用本文所述的6dof输入方法，根据brus方程改变qd颗粒的尺寸以实现期望的荧光发射波长。brus方程式如下：

其中δe(r)是荧光光子的估计能量，h是普朗克常数，r是qd的半径，egap是qd材料的整体带隙能量，me*是电子的有效质量(在给定材料内吸收入射光之后所产生的激子中)，mh*是孔的有效质量(在相同激子中)。

所描述的技术还提供了第二类qd纳米颗粒的工作模型，其中用户可以直接改变相关组成原子的成分，以实现所需的荧光发射波长。与两类qd有关的计算都取决于材料，这意味着相关方程通常依赖于特定的材料属性。所描述的技术使得用户能够访问相关数据库，以便设计具有所需属性的qd纳米颗粒。qd材料的示例性列表包括si、cdse、cdsse；但是，此列表不是穷尽的。设计的qd纳米颗粒可以涂覆在其他材料(例如硫化锌)中。描绘、建模及模拟这些结构的存储及彼此的交互作用、溶剂选择、及使用所述技术来产生的其他结构也在本公开的范围内。

节点放置分子模型

在vr环境中作为交互式3d可视化的分子和分子结构的设计是本公开的另一个应用。节点放置分子模型使得用户能够将碳原子作为节点放置在用户交互式vr环境中的任何位置。本公开的各方面使得用户能够在连续放置的节点之间放置单一键；在每个碳节点处可用的四个化学键的剩余部分可以默认连接到氢原子上，描绘烷烃结构。

系统100向节点放置分子模型提供功能，以简化有机结构的设计。用户能够沿分子在所需之处指定双键及三键。自动模式考虑系统中所有原子之间的精确键长，并且可以响应于用户放置原子而由系统100自动模拟。这些键长主要取决于组成原子和容纳成键电子的电子轨道。在这种自动模式下，用户可以绘制给定长度的线；可以使用该长度与原子间键长度的比率(取最接近的整数)来确定要放置的节点数量。此功能消除了用户将节点手动定位在适当长度的负担。

在节点放置分子模型中用户可用的原子范围包括所有原子。这可以通过访问元素数据库来提供。所有公认的化学键类型(共价键、离子键和金属键)也可以并入节点放置分子模型中。物理键的类型(诱导力(keesomforce)、取向力(debyeforce)、和分散力(londonforce)、氢键、静电双层力、溶剂-溶质相互作用、库仑相互作用等)也被结合到本公开中，以使得能够模拟和/或建模多个用户设计的分子。

数学可视化

本发明的方面还可应用于数学模型模拟，尤其应用于vr中的3d图形计算器。使用这里描述的6dof输入设备和系统，系统100的用户可以创建：矢量可视化、矢量叉积、图形的单一和多变量函数、曲面上的轮廓投影、函数的切平面、笛卡尔坐标中的输入、圆柱坐标中的输入、球坐标中的输入、参数化曲线、偏导数和方向导数、r3中的黎曼可视化、可视化卷曲和/或可视化通量。

模拟分子结构的示例流程图

图6是说明根据本发明的方面，由系统100的手持输入设备或其组件操作的用于模拟分子结构的示例方法的流程图。例如，图6中所示方法600的步骤可以由系统100的处理器110和/或输入设备120(例如控制器200)的处理器250执行。为方便起见，方法600被描述为由控制器200的处理器250执行。

在一个实施方式中，系统100包括配置成模拟分子结构的处理器110，显示器，例如输出设备125，以及至少一个手持输入设备。方法600开始于方框601。在方框605处，处理器250接收来自系统100的用户的输入。输入可以指示手持输入设备在6个自由度(dof)中的移动。在方框610处，处理器可以基于额外的用户输入和分子结构的至少一种属性，选择性地将dof之一映射到用于改变分子结构的多种限定技术之一。例如，额外的用户输入可以包括用户致动在手持输入设备上形成的按钮。方法600在方框615处结束。

实现

上文已经呈现了用于分子设计和模拟的某些实施方式。提供对所公开实施方式的先前描述是为了使所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。对于本领域技术人员来说，对这些实现方式的各种更改是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，这里限定的一般原理可以应用于其他实现方式。例如，应当理解，本领域普通技术人员将能够采用许多相应的替代和等同的结构细节。因此，本发明不旨在限于本文所示的实施方式，而是与符合本文所公开的原理和新颖特征的最宽范围相一致。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于模拟分子结构的系统，包括：

处理器，配置为模拟所述分子结构；

头戴式显示器hmd，配置为显示所述分子结构；以及

至少一个手持输入设备，配置为：

接收来自用户的输入，所述输入指示所述手持输入设备在6个自由度dof中的移动，以及

基于额外的用户输入和所述分子结构的至少一种属性，选择性地将dof之一映射到用于改变所述分子结构的多种限定技术之一，

其中所述处理器被配置为基于被映射到所选择限定技术的所接收的输入来更改所述分子结构。

2.根据权利要求1所述的系统，其中使用所选择的限定技术更改所述分子结构包括将变换矩阵应用于所述分子结构，并且其中将dof之一映射到多种限定技术之一包括将dof之一中的变化映射到所述变换矩阵的多个值中的一个。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器还被配置为确定所述分子结构的类型是结晶分子结构，其中所述至少一个手持输入设备还被配置为将所述手持式输入设备的三个空间dof映射到三个缩放值，所述三个缩放值沿三个轴限定所述分子结构的尺度。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述至少一个手持输入设备还被配置为将所述手持输入设备的至少一个旋转dof映射到所述晶体结构的米勒平面。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器还被配置为确定所述分子结构的类型是碳纳米管，其中所述至少一个手持输入设备还被配置为仅将所述手持式输入设备的所述空间dof中的一个映射至一缩放值，所述缩放值沿所述碳纳米管的长度限定所述分子结构的尺度。

6.根据权利要求6所述的系统，其中所述至少一个手持输入设备还被配置为将所述手持输入设备的至少一个旋转dof映射到指示所述碳纳米管的手性的值。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述hmd还被配置为显示由所述用户可选择的多种材料的属性的图表，其中所述至少一个手持式输入设备还被配置为接收用户对多种材料中一个的选择，并且其中所述hmd还被配置为响应于对多种材料中一个的选择而显示所述分子结构。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个手持设备还包括按钮，并且其中所述至少一个手持设备还被配置为基于所述用户对所述按钮的致动来切换选择性映射的激活。

9.一种模拟分子结构的方法，包括：

生成包括所述分子结构的虚拟现实vr视频流；

接收来自至少一个手持设备的输入，所接收的输入指示所述手持输入设备在6个自由度dof中的移动；

基于额外的用户输入和所述分子结构的至少一种属性，选择性地将所述dof中的一个映射到用于改变所述分子结构的多种限定技术之一；以及

基于被映射到所选择限定技术的所接收的输入，更改所述分子结构。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

将变换矩阵应用于所述分子结构；以及

将所述dof中一个的变化映射到所述变换矩阵的多个值中的一个。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括：

确定所述分子结构的类型是结晶分子结构；以及

将所述手持输入设备的三个空间dof映射到三个缩放值，所述三个缩放值沿三个轴限定所述分子结构的尺度。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

将所述手持输入设备的至少一个旋转dof映射到所述晶体结构的米勒平面。

13.一种用于模拟分子结构的设备，包括：

用于生成包括所述分子结构的虚拟现实vr视频流的装置；

用于接收来自至少一个手持设备的输入的装置，所接收的输入指示所述手持输入设备在6个自由度dof中的移动；

基于额外的用户输入和所述分子结构的至少一种属性，选择性地将dof之一映射到用于改变所述分子结构的多种限定技术之一的装置；以及

基于被映射到所选择限定技术的所接收的输入来更改所述分子结构的装置。

14.根据权利要求13所述的设备，还包括：

将变换矩阵应用于所述分子结构的装置；以及

将dof之一中的变化映射到所述变换矩阵的多个值之一的装置。

15.根据权利要求13所述的设备，还包括：

用于确定所述分子结构的类型是结晶分子结构的装置；以及

用于将所述手持式输入设备的三个空间dof映射到三个缩放值的装置，所述三个缩放值沿三个轴限定所述分子结构的尺度。