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纳米技术是21世纪最重要的技术之一，人类利用迅猛发展的纳米加工技术，不仅使半导体工业连续50年沿着“摩尔定律”的方向顺利前进，同时也推动着整个人类科技的提升和进步。纳米技术依赖于新材料和新型纳米加工方法的深度融合以实现重大突破，因此提出并研究针对新材料的纳米加工方法代表了纳米技术最新的发展方向。 基于纳米操作机器人的纳米加工方法由于可实现对材料无损、高精度、灵活、低成本的纳米加工，以及可提供高分辨率的纳米尺度原位成像，成为极具发展潜力的纳米加工技术。但是目前该方法仍然缺乏对加工深度和加工状态的实时信息反馈，在任务空间没有实现闭环控制，是一种“盲加工”和“开环加工”的方法，导致欠加工、过加工、堆积物效应、针尖磨损严重等问题，制约着其在新材料加工和半导体领域的实际应用。 本文针对基于纳米操作机器人的纳米加工技术所面临的问题和巨大挑战，结合超声辅助方法、机器人学和自动化技术，在系统地分析了基于纳米操作机器人超声加工和检测协同作业机理的基础上，重点开展了以下研究工作: (1)超声辅助纳米精细加工机理:纳米尺度下超声机械加工方法的加工机理尚不明确，缺乏能够定量化分析的实用理论模型。本文研究了在超声振动下针尖与样品间的动态加工过程，分析了加工过程样品材料和针尖的受力过程，将超声振动引发的动量引入了加工模型，提出了可以定量分析的加工模型，并开展了纳米精细加工实验，验证了提出模型的正确性。 (2)加工深度与状态的实时检测与感知:目前基于纳米操作机器人的纳米加工技术仍然无法在加工过程中实时感知加工深度和加工状态。本文引入了新的物理原理，利用悬臂梁的超声相位响应对加工深度和加工状态进行实时的感知。通过大量的实验研究证明了相比于检测加工力，相位响应不受到堆积物等外界干扰因素的影响，实现了对加工深度、样品硬度的变化、和纳米薄膜的界面实时检测和感知，同时也实现了对材料纳米尺度的硬度表征。 (3)加工与检测协同设计:传统的基于纳米操作机器人的纳米加工方法由于缺乏实时的加工深度和状态反馈，会导致过切割、欠切割、堆积物影响加工效果和严重的针尖磨损等问题。本文对超声纳米加工与检测进行协同设计，发展新型的加工模式，在任务空间形成了真正的闭环控制，解决了上述严重的加工问题，明显提升了纳米加工的质量。 (4)二维材料纳米器件的加工与检测协同制造:电子束、离子束等加工方法对二维材料有污染和损伤、对准和套刻误差大，很难对纳米尺度的二维材料进行器件的制造。利用基于纳米操作机器人的纳米成像和加工与检测协同设计方法，实现了微纳金属结构的一体化加工制造，结合剥离工艺完成了基于纳米二维材料的电子器件制造，对二维材料电子器件尺度效应的研究和基于二维材料大规模集成电路的制造有着重要意义。 本文通过理论分析、建模仿真、及实验研究，丰富了超声辅助原子力显微镜的加工机制，提高了基于纳米操作机器人的纳米加工效果和器件制造能力，为其今后的实际应用提供了理论基础和技术支持。