曾几何时，万分之几英寸就被认为是高精度了，而如今，人们对精度的要求已经达到了亚微米量级。
　　40年以前，在数控机床的年代，标准的机械容差是千分之几英寸，随后，万分之几英寸才能算作高精度，今天，先进的自动机床的容差可以低于1微米，那可是0.00004英寸。
　　当尺度降低到几分之一微米或者更小，我们就来到了纳米技术的世界——这个世界里的物体只有几百纳米或者更小。在这个世界里，规则大不一样。传统的测量技术在物理上变得不可实现，靠精密滚珠丝杠实现测量的设备已经力不从心了。
　　人类无法对纳米尺度有直观的感觉，纳米世界与我们的宏观世界相差甚远。一些已浸淫在纳米世界中达数十年的科学家，为我们如此描述纳米世界与宏观世界的相对尺寸：
　　■ 10个氢原子几乎精确地等于1nm。
　　■ 绿色光的波长约等于350nm。
　　■ 病毒（或者应该用复数）尺寸从几十纳米到数百纳米不等。
　　■ DNA分子宽度是2.2到2.6nm。
　　■ 然而一条完整的DNA的长度几乎肉眼可见，达到73000000nm，或者约为0.075mm。
　　■ 最新微处理器内的最细微结构的宽度为45nm。
　　■ 如果1微米被放大到这本杂志展开

的宽度www.cechina.cn，那么1纳米就有1/32英寸。
　　在1微米以下尺度，应用技术的变化很显著。反馈设备的极限很容易就达到了，因为电机无法完成如此精细的动作。越来越多的工程师，不得不考虑这种境况，因为确实有某些应用需要在1/10纳米尺度进行定位。
　　在那种尺度下工作涉及到的问题包括：缓慢工作，每秒纳米级的移动。做个参照的话，这种移动比头发的生长还要缓慢。这种精度要求不同等级的控制能力和反馈设备。当如此缓慢地移动的时候，每个细微移动的数据量都很少，所以你必须能够根据很少的数据量完成线性运动。

蓝-绿光具有500nm的波长。如果这个波长被放大到这本杂志平摊开那么长，
那么1nm就近似于1/32英寸那么长了。

　　古老的成就，全新的技术
　　尽管近期对“纳米技术”的宣传铺天盖地，然而最古老的纳米技术其实是纳米材料的制备。例如，16000年前，法国西南部Lascaux远古人类绘制的色彩精美的石洞壁画，所使用的就是精细研磨至纳米尺寸的金属氧化物颜料。

　　图片来源：GettyImages
　　人类祖先在16000年以前使用研磨至纳米尺度的氧化物粉末绘制精美的作品。

　　1981年，IBM苏黎世的研究员Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜（STM ），1986年，Binnig、Calvin Quate和Christoph Gerber又一起发明了原子力显微镜（AFM），至此，纳米定位才开始在实际应用中获得重视。
　　这些设备实际上利用了逆压电效应，当被施加静电电势时，结晶材料的外形和尺寸会发生变化。逆压电效应可以以两种方式来产生纳米尺度运动：
　　■ 直接运动，由静电材料制作成的结构直接推动目标www.cechina.cn，产生运动。
　　■ 压电电机，也叫做超声波电机，在超声波频率下充电的一定数量的微结晶交替伸缩，产生运动，就像毛毛虫的腿一样。
　　逆压电效应的效果实际上很微弱，要使厚度为10mm的一片锆钛酸铅（PZT，最常用的压电材料）厚度改变100nm，需要2670V的电势。
　　实际的直接运动压电执行器需要堆砌很多元件。它使用100片已经充电的0.1mm的薄片，而不是一片，这些薄片平行堆砌，将电压降低100倍，达到27V。
　　直接运动执行器受限于很小的总运动距离CONTROL ENGINEERING China版权所有，大约为100nmwww.cechina.cn，但是它却可以获得很高的精度。对上面提到的100片的执行器，使施加电压改变2.67V，可以改变厚度10nm。
　　值得注意的是这种压电执行器可以提供高达1000磅的力和高达1000个g的加速度。
　　压电电机解决了受限运动和系统解析度之间的平衡问题，它们可以做线性运动也可以作回转运动。
　　线性版本的执行器最容易理解。想象一下2个平行的静止机构，中间是可以自由移动的柱塞。一排“足”与一个静止机构相连，并延伸到2个静止机构之间的空间，与柱塞接触。另一个静止机构也有一排“足”，与柱塞的另一侧相连。每一排“足”都有偶数个。
　　每个足有两部分组成：纵向的“腿”的长度可以随施加电压变化而变化，前端是剪切运动的“脚”，当施加电压时可以向一边或者另一边扭转。“足”借此将柱塞向指定的方向以纳米步距推动。通过较高频率地重复这种步伐，就可以快速地将柱塞移向两边，无区间限制，同时具有纳米精度。
　　回转压电电机的制作方法类似。回转单元不是将足线形排列在直柱塞的两侧，而是将足分布于环形定子内www.cechina.cn，与转轴接触。

　　图片来源: Physik Instrumente 和 Control Engineering
　　基于逆压电效应的线性电机具有多组与静止机构连接的“足”，这些“足”驱动柱塞进行纳米尺度的步进。

　　反馈控制
　　在