使用SpongeExt快捷完成CudaSPONGE结合PySAGES的增强采样

技术背景

在前面的一些文章中，我们介绍过关于CudaSPONGE的安装和基础使用方法，CudaSPONGE提供的Python接口，PySAGES增强采样软件的基本使用方法，还有一篇关于CudaSPONGE和PySAGES相结合的文章，并且做了一些简单的CudaSPONGE结合PySAGES的性能测试。其中因为CudaSPONGE与PySAGES的接口实际上是可以多场景共用的，因此考虑把这部分的接口单独封装一个包出来，使得用户可以尽可能无感的在CudaSPONGE中使用PySAGES。

Pip安装

SpongeExt最新的源码存储地址为：https://gitee.com/dechin/sponge-ext/tree/master，都是非常简单的Python代码，只是对环境有一些先置条件，例如Jax、Jaxlib、Cupy等，当然，PySAGES也是必须先安装好的。用户可以下载源码进行编译安装，也可以直接用pip安装：

$ python3 -m pip install SpongeExt --upgrade

没有报错即为安装成功。

使用方法

在开源仓库的example路径中，我们已经存放了一个完整的演示案例。其目录结构大致是这样的：

.
|-- README.md
|-- protein
|   |-- alad_LJ.txt
|   |-- alad_angle.txt
|   |-- alad_atom_name.txt
|   |-- alad_atom_type_name.txt
|   |-- alad_bond.txt
|   |-- alad_charge.txt
|   |-- alad_coordinate.txt
|   |-- alad_dihedral.txt
|   |-- alad_exclude.txt
|   |-- alad_mass.txt
|   |-- alad_nb14.txt
|   |-- alad_residue.txt
|   `-- alad_resname.txt
|-- pysages_metad.py
`-- workspace
    |-- mdbox.txt
    |-- mdcrd.dat
    |-- mdinfo.txt
    |-- mdout.txt
    |-- nvt.in
    |-- nvt_restart_coordinate.txt
    `-- nvt_restart_velocity.txt

其中pysages_metad.py就是我们所定义的PySAGES增强采样方法，文件内容是这样的：

from SpongeExt import enhanced_sponge

import pysages
from pysages.colvars import DihedralAngle
from pysages.methods import Metadynamics

def phi_psi():
    from numpy import pi
    cvs = [DihedralAngle([4, 6, 8, 14]), DihedralAngle([6, 8, 14, 16])]
    height = 5.0  # kJ/mol
    sigma = [0.4, 0.4]  # radians
    stride = 3
    ngauss = 500
    grid = pysages.Grid(lower=(-pi, -pi), upper=(pi, pi), shape=(50, 50), periodic=True)
    method = Metadynamics(cvs, height, sigma, stride, ngauss, grid=grid)
    return method

pysages_method = phi_psi()
Calculate_Force, Mdout_Print = enhanced_sponge(pysages_method)

可以看到的是，我们只是调用了SpongeExt中的一个生成函数，没有在该脚本下直接调用CudaSPONGE底层的任何参数。而在PySAGES这边，也仅仅是定义了一个MetaDynamics的方法，没有定义任何其他PySAGES底层的SnapShot之类的参数，使用SpongeExt这个插件可以做到一个几乎无感的衔接。在protein/路径下存放的是我们使用Xponge生成的CudaSPONGE运行所需的输入参数文件。在workspace/路径下是我们运行的一个普通NVT的CudaSPONGE参数配置文件，其中只有一个nvt.in文件是我们需要配置的参数输入文件，其他文件都是通过CudaSPONGE运行产生的输出文件。nvt.in的文件内容为：

case1 MD simulation

mode = NVT
default_in_file_prefix = ../protein/alad

pbc=0
cutoff=999

dt = 1e-3
step_limit = 2000
write_information_interval = 10

thermostat = middle_langevin
middle_langevin_gamma = 10

rst = nvt_restart

coordinate_in_file = ../protein/alad_coordinate.txt
plugin = /usr/local/python-3.7.5/lib/python3.7/site-packages/prips/_prips.so
py = ../pysages_metad.py

相比于普通的NVT过程，这里只是多配置了plugin和py这两个参数，意指通过prips这个插件来调用python文件中的相关接口函数，从而达到一个外接软件实现增强采样方法的效果。

总结概要

基于CudaSPONGE高性能分子动力学模拟采样工具，和PySAGES高性能增强采样软件，我简单的封装了一个SpongeExt插件，可以用于无感结合CudaSPONGE和PySAGES进行增强采样分子动力学模拟。

版权声明

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

作者ID：DechinPhy

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参考链接

1. https://gitee.com/dechin/sponge-ext/tree/master