用于路径集合变量自由能计算的自适应管状约束
化学物理
2026-07-02 v1
摘要
路径集合变量将高维转变简化为一个进度坐标 s 和一个正交距离 z。沿 s 计算自由能通常需要约束 z，以使采样围绕参考路径的管状区域进行。然而，传统的固定半谐波势垒需要先验的管宽，该宽度既依赖系统又依赖 s。管过窄会使路径投影自由能产生偏差。相反，管过宽会导致数值不稳定和通道间泄漏。我们提出了一种自适应管状约束，其半宽实时演化以跟踪正交自由能 F(z|s) 的固定等值线 ΔF*，在平坦盆地中自动加宽，在狭窄鞍点处自动收窄，只需极少的用户干预。我们证明，对于局部谐波垂直势阱，遵循等值线的管能够捕获与 s 无关的正交配分函数比例，因此在硬壁极限下，其偏差可以抵消。与此形成鲜明对比的是，固定宽度管的偏差随 s 变化并使自由能景观失真。我们在多个模型势、N-乙酰基-N'-甲基丙氨酰胺异构化、微型蛋白 chignolin 的折叠以及核糖结合蛋白的折叠-结合过程中测试了该算法。该方法已在开源 Colvars 库中实现，因此可用于流行的分子动力学引擎，如 NAMD、LAMMPS、GROMACS 和 Tinker-HP。
引用
@article{arxiv.2607.02735,
title = {A self-adaptive tube restraint for free-energy calculations along path collective variables},
author = {Radu A. Talmazan and Cheng Giuseppe Chen and Chenyu Tang and Christophe Chipot},
journal= {arXiv preprint arXiv:2607.02735},
year = {2026}
}