Hack MCP

具有真实AFM数据集成的FerroSim MCP服务器

将FerroSim铁电模拟与真实AFM实验数据分析相结合的模型上下文协议（MCP）服务器。

参考文献

本项目建立在以下基础之上：

• DTMicroscope数字孪生框架:
• AFM黑客马拉松Colab笔记本: https://colab.research.google.com/drive/1yR698-\_qoAKoiK6VRVbU5UFJUkV5tS_l

特性

FerroSim理论侧

• 创建并运行铁电畴模拟
• 配置电场、缺陷和材料属性
• 可视化极化动力学
• 导出模拟结果

AFM实验侧

• 加载真实AFM数据 多种格式（.ibw、.h5、.npy、.mat、.txt）
• 分析铁电畴结构
• 提取域面积、墙密度和统计信息
• DTMicrosoft-compatible API
• 逐行扫描仿真器

理论实验匹配

• 将模拟结果与AFM实验数据进行比较
• 计算相关性、MSE、RMSE指标
• 评估比赛质量

快速开始

安装

# Activate conda environment
source /Users/guanlinhe/miniconda3/bin/activate ferrosim_mcp

# Install dependencies
pip install mcp ferrosim git+https://github.com/ramav87/FerroSim.git@rama-dev
pip install igor2 scipy h5py numpy

用法

1.加载真实AFM数据

from afm_digital_twin import AFMDigitalTwin

# Initialize
afm = AFMDigitalTwin()

# Load data (format auto-detected from extension)
result = afm.load_data("AFM/temp/scan_0001.ibw")  # Igor format
# OR
result = afm.load_data("data/dset_spm1.h5")       # HDF5/USID format

print(f"Loaded scan: {result['scan_id']}")
print(f"Format: {result['format']}")

2.分析域名

# Analyze domain structure
domains = afm.analyze_domain_structure()
print(f"Up domain area: {domains['up_domain_area']*1e12:.2f} μm²")
print(f"Down domain area: {domains['down_domain_area']*1e12:.2f} μm²")
print(f"Wall density: {domains['domain_wall_density']:.3f}")

3.运行MCP服务器

python ferrosim_mcp_server_minimal.py

支持的文件格式

多渠道支持： 自动检测PFM数据中的振幅和相位通道。

api参考

AFM数字孪生

load_data(filepath, data_format=None)

从文件加载真实的AFM扫描数据。

参数：

• filepath （str）：数据文件的路径
• data_format （str，可选）：格式（'ibw'，'h5'，'npy'，'mat'，'tx'）。如果无，则自动检测。

退货： 包含scan_id和元数据的词典

analyze_domain_structure(scan_id=None)

分析铁电畴结构。

退货： 词典包含：

• num_up_domains：像素数
• num_down_domains：像素数
• up_domain_area：面积（平方米）
• down_domain_area：面积（平方米）
• domain_wall_density：壁密度度量
• mean_amplitude_up/down：按域划分的平均振幅

get_piezoresponse(scan_id=None)

获取PFM振幅和相位数据。

退货： 带振幅和相位阵列的词典

get_scan(scan_id=None, channels=None)

获取扫描数据（与DTMicrosoft-compatible API兼容）。

退货： （array_list、shape、dtype）元组

scanning_emulator(scan_id=None, scanning_rate=10)

模拟逐行扫描。

产量： 每条扫描线的行数据

MCP工具

AFM工具

• afm_load_real_scan：加载真实的AFM数据文件
• afm_analyze_domains：分析域结构
• afm_get_piezoresponse：获取振幅/相位数据
• afm_list_scans：列出所有加载的扫描
• afm_get_scan：获取扫描数据（DTMicrosoftcope API）
• afm_go_to：将探头移动到位置
• afm_get_position：获取当前探头位置

FerroSim工具

• initialize_simulation：创建新的模拟
• run_simulation：执行模拟
• get_simulation_results：检索结果
• visualize_simulation：生成绘图
• list_simulations：列出所有模拟

理论实验匹配

• match_simulation_to_afm：将模拟与AFM数据进行比较

工作流示例

完整的分析流程

from afm_digital_twin import AFMDigitalTwin
import numpy as np

# 1. Initialize and load data
afm = AFMDigitalTwin()
result = afm.load_data("AFM/temp/scan_0001.ibw")
scan_id = result['scan_id']

# 2. Analyze domains
domains = afm.analyze_domain_structure(scan_id)
print(f"Domain Analysis Results:")
print(f"  Up domain area: {domains['up_domain_area']*1e12:.3f} μm²")
print(f"  Down domain area: {domains['down_domain_area']*1e12:.3f} μm²")
print(f"  Wall density: {domains['domain_wall_density']:.3f}")

# 3. Get piezoresponse
pfm = afm.get_piezoresponse(scan_id)
amplitude = np.array(pfm['amplitude'])
phase = np.array(pfm['phase'])

# 4. Use DTMicroscope API
array_list, shape, dtype = afm.get_scan(scan_id, channels=['Amplitude', 'Phase'])
data = np.array(array_list, dtype=dtype).reshape(shape)

# 5. Emulate scanning
for line_idx, line_data in enumerate(afm.scanning_emulator(scan_id)):
    # Process line-by-line
    amplitude_line, phase_line = line_data
    # ... process data
    if line_idx >= 10:
        break

测试脚本

test_real_afm_workflow.py

全面的工作流程测试演示：

• 数据加载
• 领域分析
• 压电响应提取
• DTMicrosoftcope API兼容性
• 扫描仿真器

运行：

source /Users/guanlinhe/miniconda3/bin/activate ferrosim_mcp
python test_real_afm_workflow.py

数据目录结构

AFM/
├── temp/
│   └── scan_0001.ibw          # Real experimental PFM data
├── 0_AFM_Basic_functionality_COLAB_Hackaton.ipynb
├── 1_AFM_Imperfect_Probe_COLAB_Hackaton.ipynb
└── ...

建筑

简化设计

该系统已经过简化，专注于真实数据：

1. 无合成数据生成：删除所有合成/模拟数据生成
2. 仅限真实数据：AFM Digital Twin仅加载和提供实验数据
3. DTM显微镜兼容性：遵循DTMicrosoftcope API模式
4. 清洁API：具有基本功能的简化工具集

核心组件

ferrosim_mcp_server_minimal.py  # MCP server with FerroSim + AFM tools
afm_digital_twin.py             # Real AFM data loader and analyzer

配置

Claude桌面集成

添加到 ~/Library/Application Support/Claude/claude_desktop_config.json:

{
  "mcpServers": {
    "ferrosim-afm": {
      "command": "/Users/guanlinhe/miniconda3/envs/ferrosim_mcp/bin/python",
      "args": [
        "/Users/guanlinhe/github/hackMCP/ferrosim_mcp_server_minimal.py"
      ],
      "env": {
        "PYTHONPATH": "/Users/guanlinhe/github/hackMCP"
      }
    }
  }
}

需求

mcp>=0.1.0
numpy>=1.20.0
scipy>=1.7.0
igor2>=0.5.0
h5py>=3.0.0
ferrosim

许可证

仅供研究使用。有关详细信息，请参阅单个组件许可证。

引用

如果您使用此代码，请引用：

• FerroSim：
• DTM显微镜：