MindSponge分子动力学模拟——自建力场（2024.03）

技术背景

在MindSponge教程合集中我们已经介绍了很多使用MindSponge进行分子动力学模拟的方法，这里主要介绍在MindSponge中自定义一个力场。在传统的MD软件中，如果你希望去开发一个自己的力场，或者是添加一些分子动力学模拟方法如增强采样等，会面临不少编程上的困难。而这些困难对于使用Python来编程的MindSponge来说，就天然的降低了门槛。以力场为例子，我们可以在EnergyCell的基础上，去开发一个自定义的ForceField。

自定义力场

首先，关于MindSponge的安装和基础使用，大家可以在前面的博客中去学习，这里不做更多介绍。

由于这里我们只是为了演示如何使用MindSponge来构建自定义力场的方法，因此我们可以用一个最简单方便的操作，把所有的坐标做一个加和：

\[E_{self}=\sum_{i}(x_i+y_i+z_i) \]

这里\(E_{self}\)就是我们用到的自定义力场的势能。在MindSponge里面定义一个力场，首先我们继承基础能量类EnergyCell来构建一个新的势能类：

class MyEnergy(EnergyCell):
        def construct(self, coordinate: Tensor, **kwargs):
            return coordinate.sum()[None, None]

这里需要解释的是，因为我们只是定义一个简单的力场，没有额外的参数，所以没必要修改__init__函数里面的参数内容，只需要修改construct里面的内容就可以了。唯一有要求的是最后输出的能量的维度有一点要求，为了原生支持多batch的操作，我们输出的能量项是二维的，所以这里求和之后又做了一个扩维。完整的演示代码如下所示：

from mindspore import context, Tensor
from mindspore.nn import Adam
context.set_context(mode=context.GRAPH_MODE, device_target='GPU')

if __name__ == "__main__":
    from sponge import Sponge, Molecule, WithEnergyCell
    from sponge.potential import EnergyCell, ForceFieldBase
    from sponge.callback import RunInfo, SaveLastPdb
    # 自定义能量类
    class MyEnergy(EnergyCell):
        def construct(self, coordinate: Tensor, **kwargs):
            return coordinate.sum()[None, None]
    # 生成水分子系统
    system = Molecule(template='water.spce.yaml')
    system.reduplicate([0.3, 0, 0])
    new_sys = system.copy([0, 0, -0.3])
    system.append(new_sys)
    # 根据系统生成自定义力场对象
    potential = MyEnergy(system)
    forcefield = ForceFieldBase(potential)
    withenergy = WithEnergyCell(system, forcefield)
    opt = Adam(system.trainable_params(), 1e-3)
    mini = Sponge(withenergy, optimizer=opt)
    # 配置回调函数
    run_info = RunInfo(5)
    save_pdb = SaveLastPdb(system, save_freq=1, pdb_name='water_last.pdb')
    # 开始执行模拟任务
    mini.run(10, callbacks=[run_info, save_pdb])

这里演示的是4个水分子的体系，其中定义好能量项之后，要用ForceFieldBase力场基础类封装起来，才是一个完整的力场。然后再把力场信息、系统信息和迭代器信息传给Sponge类，就可以来时进行模拟了。根据定义的迭代器的不同，既可以完成能量优化的功能，也可以实现分子动力学模拟的过程，在框架上实现了统一。此外我们还可以分别定义两个回调函数RunInfo和SaveLastPdb，用于在屏幕上输出迭代信息，以及输出最后一步的系统的坐标到一个指定的pdb文件里面。运行结果如下所示：

[MindSPONGE] Started simulation at 2024-03-22 16:54:45
[MindSPONGE] Step: 5, E_pot: 0.31788814
[MindSPONGE] Step: 10, E_pot: 0.13788882
[MindSPONGE] Finished simulation at 2024-03-22 16:54:46
[MindSPONGE] Simulation time: 1.03 seconds.
--------------------------------------------------------------------------------

同时在当前路径下生成了一个pdb文件：

MODEL     1
ATOM      1  O   WAT A   1      -0.100  -0.100  -0.100   1.0   0.0           O
ATOM      2  H1  WAT A   1       0.716   0.477  -0.100   1.0   0.0           H
ATOM      3  H2  WAT A   1      -0.916   0.477  -0.100   1.0   0.0           H
ATOM      4  O   WAT A   2       2.900  -0.100  -0.100   1.0   0.0           O
ATOM      5  H1  WAT A   2       3.716   0.477  -0.100   1.0   0.0           H
ATOM      6  H2  WAT A   2       2.084   0.477  -0.100   1.0   0.0           H
ATOM      7  O   WAT A   3      -0.100  -0.100  -3.100   1.0   0.0           O
ATOM      8  H1  WAT A   3       0.716   0.477  -3.100   1.0   0.0           H
ATOM      9  H2  WAT A   3      -0.916   0.477  -3.100   1.0   0.0           H
ATOM     10  O   WAT A   4       2.900  -0.100  -3.100   1.0   0.0           O
ATOM     11  H1  WAT A   4       3.716   0.477  -3.100   1.0   0.0           H
ATOM     12  H2  WAT A   4       2.084   0.477  -3.100   1.0   0.0           H
TER
ENDMDL
END

有了这个pdb结构文件，我们就可以用VMD来进行可视化了：

如果需要保存完整的轨迹文件，那就需要用到MindSponge所支持的h5md数据结构，相关方法可以参考这篇博客中的范例，其中还包含了使用MDAnalysis第三方软件进行后分析的方法。

总结概要

基于力场的分子动力学模拟，其实可以看做是一个最简单的机器学习模型，具有计算成本低的特点，在药物研发、生物化学和计算物理学等研究领域存在广泛的应用。那么，如何去快速的开发一个新的力场，在传统的MD模拟软件中其实可能是一个不小的门槛，而基于MindSpore框架开发的MindSponge分子动力学模拟软件，则具有这种便捷开发的特性。本文通过一个简单的示例，介绍了如何在MindSponge分子动力学模拟框架内构建一个自定义的分子力场，可以正常的执行分子动力学模拟迭代过程并保存相应的结果和输出。

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本文首发链接为：https://www.cnblogs.com/dechinphy/p/energy-cell.html

作者ID：DechinPhy

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