20世纪80年代早期，我作为哥伦比亚大学机械工程专业的一名研究生，经常会听到同学们谈论“飞行头”，当时我不明白他们在进行什么奇特的应用。后来，我了解到，空气轴承在计算机硬盘驱动器（HDD）读写磁头上的应用是创造这项“飞行头” 机电一体化奇迹的关键技术突破。
现在，我在教学中经常把HDD作为利用机电一体化方法进行设计的第一个例子。我从很多来源中获取了有关这种装置的知识，但是由A.A. Mamun, G. Gup和C. Bi合著的新书《硬盘驱动器机械电子与控制》（Hard Disk Drive Mechatronics and Control）是整合这些知识的经典之作。
HDD的出现有50多年的时间了，它是一个集成多学科的与众不同的工程系统。对硬盘驱动器和其不断扩大容量至关重要的那些技术包括了磁学、材料科学、电子学、传感器、作动器、机械学、摩擦学、信号处理、控制和制造科学。在HDD中，通过磁化涂在一个圆盘表面的介质，一个二进制bit就存储在该表面一个很小的空间里。一个感应磁头进行写入，一个磁阻磁头进行读取，这两个磁头利用气
体轴承技术飞行在磁盘表面上。
机电一体化工程师正在被要求来创新设备动力学、传感器、作动器和控制算法，这在任何机电一体化系统中都是最主要的四种元素。随着技术的快速变化和性能的更高要求，实现可靠的HDD性能可能会非常艰难并且需要一个基于模型的集成方法来进行设计。在众多的挑战中，HDD设计者必须要面对：
读写头组件的设计控制：利用一个旋转的音圈电机作动器移动至一个磁轨（寻轨）而后定位在该磁轨上（磁轨跟踪）。
磁盘系统（10,000转/分或更高）的设计和控制：利用心轴安装在流体动力轴承中的无刷直流电机。
制造过程中在磁盘上创建磁象（位密度高达每平方英寸100Gbyte）.
总之，HDD无疑是在线、直接写入、非抽取式、稳定、低成本信息存储计算系统的象征。下图表明了硬盘驱动器在信息存储金字塔中的位置。
对我来说，用三句话能说明令人敬畏的HDD的发展成就。1956年，5 Mbytes的资料要储存在50张24英寸直径的磁盘上。而今天，100 Gbytes的资料只需存储在一个3.5英寸直径的磁盘上！可以想象一下，驾驶一架大型喷气式客机，以每小时500英里的速度，以地面以上低于0.1英寸的高度，只以几分之一英寸的宽度变换航道，而且每次都要以同样的精确度进入新航道。这就是HDD读写头控制要面对的挑战。
另外，假设我们让读写头移动100个磁道的距离。对于一般的控制系统来说，2%的置位时间将会造成±2的轨道定位错误。但是，对于HDD来说，从一个磁轨到另一磁轨的所有移动中，轨道的定位错误不能超过10%（写入）和15%（读取）！并且在一张3.5英寸的磁盘上可能有100,000个环形磁轨！
创新记录技术，比如垂直磁记录技术和热辅助磁记录技术，将会大大增加磁盘的位密度。因为其大容量、快速接入和低成本的特点，HDD仍将会保持资料存储装置的优势地位，但是这方面的进展会来自于机械工程师们做他们最擅长的工作：基于模型的集成系统设计。
Kevin Craig博士，是位于纽约州特洛伊市Rensselaer理工学院的机械工程学教授。登录网址www.designnews.com/mechatronicszone，可以查阅Craig教授的博客。