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原子力显微镜(Atomic Force Microscopy AFM)具有极高的观测分辨率和良好的操作可控性，因而不仅可以对物体表面进行纳米尺度的扫描观测，还可以对微纳米物体进行微小力操作。但是，使用原子力显微镜进行微纳米尺度操作存在如下问题:首先，在使用AFM进行操作时，探针作业位置是无法准确预知的。即探针位置存在不确定性。其次，操作过程中缺乏对操作状态的精确反馈信息，难以实现实时修正补偿，即存在操作状态控制的不确定性。再者，目前尚无法给出精确的纳米尺度物体运动学模型和动力学模型，还难以依据模型控制方法实现精确纳米尺度操作，存在着模型控制的不确定性。因而纳米操作在可靠性、精度和效率等方面还存在巨大的挑战。 针对纳米尺度操作中存在的目前无法完全消除的不确定性因素，本论文提出一种虚拟纳米手操作策略，简称纳米手。主要从两个方面来提高纳米操作的可靠性、效率和精度性能指标。一方面，对控制原子力显微镜探针的驱动机构—压电陶瓷(PZT)的非线性驱动特性进行深入研究，除了对主要的静态非线性迟滞进行补偿外，还对动态特性中的蠕变特性进行分析，与已有的迟滞蠕变补偿不同之处在于如下两点:一、提出影响原子力显微镜探针运行精度的拐点蠕变概念并对其建模;二、改变传统PI模型的基函数内核，把拐点蠕变效应嵌入基函数中，使基函数可以同时描述静态特性和动态特性，从而避免使整个模型由于蠕变模型的加入而破坏模型的整体框架。对压电陶瓷迟滞和蠕变的非线性补偿可以保证对探针的定位不确定性在进行操作时保证尽可能的小。另一方面，对目前为止无法完全消除的定位不确定性本身作为研究对象，分析不确定性的初始条件对操作过程和操作结果的影响机理，从分析和控制操作过程和操作结果的不确定性角度来提高操作的可靠性、高效性和精度等性能指标。解决的途径为:一、对初始条件的不确定性进行基于概率的分析，得到其概率分布参数，并依此建立基于概率的纳米颗粒运动模型，通过模型研究纳米颗粒随着原子力显微镜探针的运动其随机位置分布状态的演化规律。二、设计原子力显微镜探针的推动策略—纳米手，设定纳米手结构参数，通过已建立的概率运动模型来分析纳米手结构参数对操作过程和结果的影响;然后，把基于概率的操作过程和结果与人们所关心的可靠性、高效性和高精度指标相关联，创建评价操作性能的代价函数，研究利用代价函数获得优化的纳米手结构参数的方法。 最后的实验利用已经建立的压电陶瓷迟滞蠕变补偿模型对设计后的纳米手策略进行实施，对纳米颗粒进行的操作验证了虚拟纳米手策略的可靠性、高效性和精度性能。