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电影的序幕是在一串水珠之中展开的，就好像是水底的水泡一般。当“我，机器人（I. Robot，又译作‘机械公敌’）”的字幕在大屏幕上出现之后，就化作了一连串的水珠。然后水珠之中，就出现了艾萨克-阿西莫夫经典的机器人三大定律。
“第一定律，机器人不得伤害人类，也不得见人类受到伤害而袖手旁观。第二定律，机器人应服从人类的一切命令，但不得违反第一定律。第三定律，机器人应保护自身的安全，但不得违反第一、第二定律。”
定律和定律之间，时不时闪过水底下的金属光芒，随后就发现，是一辆汽车，准确地说是两辆汽车，一辆汽车之中埃文-贝尔正在用力地敲打着玻璃窗，似乎是被困在了车子里一般，再看看周围的水环境，就不难猜出一个大概了，估计是埃文-贝尔开着车跌入了水底，现在受困于车内，无法出去。一会，画面上又出现了一个在敲打玻璃窗的小女孩，她似乎也被困在了水底的轿车里，她和埃文-贝尔并不是在同一辆车子里。
突然，一个机器人一拳将埃文-贝尔所在的车子玻璃窗打碎了，而在埃文-贝尔的身后，那个被困在另外一辆车里的小女孩依旧在不断敲打着玻璃窗。
画面一黑，再一明亮时，埃文-贝尔那双湛蓝色的眸子就清晰可见了，不得不说，一双湛蓝色眸子在大屏幕上的特写镜头，让所有人都看到了那一抹惊心动魄的蓝色，清澈而透明的蓝色有一种让人心碎的震撼。
旁边的闹钟开始响起，镜头稍微拉上，埃文-贝尔那张俊脸翻了一个白眼，显然对于闹钟十分不满，他一个转身，就露出了他结实的上半身肌肉，让现场不少女性观众都惊呼起来，大福利！埃文-贝尔拿着手枪的右手伸了过去，将手枪放在枕头边上，然后将闹钟关了。
故事就从这里开始了，稍显杂乱的房间里有一扇老旧的吊式风扇在旋转着，而埃文-贝尔的左肩似乎十分不舒服，他一直在调整自己的左肩，还专门针对左肩做了一些简单的锻炼。从新鞋盒之中拿出一双黑色的高帮皮质匡威，穿起来之后，埃文-贝尔离开了家里，来到了楼下。
一打开门，原本还正常的镜头，顿时进入了另外一个状态，一个机器人就站在门口，拿着快递说到，“早上好，先生！”但是埃文-贝尔显然不买账，直接用左手罩住了机器人的脸，说到，“让开，铁皮人。”这一个称呼，就可以看出埃文-贝尔对机器人的不满了，然后就离开了。
当画面上出现了城市全景，并搭配“芝加哥，2035年”的字幕时，所有人都感叹了起来，高科技横流的城市显然已经不是现在的样子了，先进而便利的城市让人惊叹连连。而城市里摩肩接踵的人群中，随处可见的机器人身影更是让人觉得十分新鲜。
“史普纳”，就在这时，街对面传来的呼声终于让观众知道了男主角的名字，镜头上，出现了一个笑容灿烂的大男孩，他手里拿着一颗大篮球，直接在街对面就往史普纳的方向扔了过去，可是史普纳做出了要接的手势，却直接往前走，让篮球从他的身后擦身而过。这让大男孩顿时慌张起来，看着史普纳脸上恶作剧得逞的笑容，让人心情顿时愉悦起来。
这个叫做法伯的大男孩是想要向史普纳接汽车钥匙去约会的，可惜未能成功。不过从两个人谈话的方式来看，这两个人已经认识很久了。
史普纳来到了祖母家，看着他和祖母的相处，还有那一脸得意洋洋的表情炫耀自己的2004年版新匡威，让观众都露出了笑容。不过从史普纳和祖母的对话中可以再次清楚地看出，史普纳对于机器人没有好感！
离开祖母家之后，史普纳看到了一名机器人手里提着一个提包正在接到上奔跑，他立刻就判断这名机器人是抢劫犯，于是他就展示了自己敏捷的身手，一路追踪而去，最终将机器人扑倒在地。为了安慰周围混乱的人群，史普纳出示了自己的警察证明。但很快，他就发现自己乌龙了，因为这名机器人并不是抢劫，它是为自己的主人回家去拿呼吸器，避免主人因为哮喘而晕倒。
在开场不到十分钟的篇幅里，前后三次表现出戴尔-史普纳对于机器人的排斥、厌恶和怀疑，这也让观众心中产生了疑惑。
经历了开场略显沉闷的开篇叙述之后，戴尔-史普纳开着他拉风的奥迪概念车来到了USR公司，调查一起谋杀案。被誉为机器人之父的兰尼博士自杀了，他专门选择了史普纳警官来“调查”自己的案件。只是这个庄严威严的USR公司让人有种从心底泛上来的寒意，那个巨大的俯身凝视人类的机器人雕像让人顿时一阵战栗，机器人在俯视人类，究竟是人类的恐惧还是人类的希望。更重要的是，观众还没有来得及感叹未来科技都市的神奇，故事就开始展开了。
戴尔-史普纳经过调查，他发现兰尼博士的自杀事件有蹊跷，似乎在隐瞒着什么的公司总裁，不太合作的技术部门小姐，遵循案件调查的故事发展，几乎让所有人都以为这是一部侦探电影了。戴尔-史普纳和苏珊-卡尔文关于机器人三大定律的逻辑推演，也揭开了本部电影的主旨核心：机器人没有问题，技术也不是问题，人类逻辑的局限才是最大的问题。很直接地，如果人类要求机器人杀死自己，这是第二定律的逻辑，但是又违背了第一定律，那么机器人的选择到底应该是什么呢？是否会产生变化？
这时，一个机器人NS-5突然出现，让案件的发展出现了意外。最终这名机器人从兰尼博士自杀的窗户跳了出去，逃离了现场。也许，兰尼博士的死亡真的不是自杀也说不定。
由于NS-5受伤了，所以它必然会回到工厂进行自我修复。于是，来到了工厂的史普纳和卡尔文，有一千个NS-5机器人出现在了所有人的面前，场面十分壮观。但是要在一千个一模一样的机器人之中找出一个有异常的机器人，可不是一件容易的事。
史普纳命令机器人不准移动，并且使用手枪对机器人进行伤害，成功地发现了那一个异常机器人。这名异常机器人的眼睛是漂亮的宝蓝色，显得与众不同。他将史普纳直接扔了出去，然后跳了过来，对着史普纳说到，“我是什么（What. Am. I）？”
当这一句台词说出来时，就有不少观众在心中拍手叫好起来，这虽然只是一句简单的台词，但是从一名机器人的口中说出来，就有许多丰富意义了。这意味着，这名机器人产生了自我意识，它正处在对自我认知困惑的时期；而当机器人出现智能，开始违抗人们命令，打破机器人三大命令——史普纳要求所有机器人都不准动，而这名机器人不仅动了，还出手袭击了史普纳——时，这就意味着机器人又可能出现革命，甚至……这些深层的含义无穷无尽，也让这部商业电影的内涵顿时丰富了起来。
这名异常的NS-5机器人最终还是被逮捕了。在审讯室之前，史普纳向他的上司好友约翰要求，希望可以去审讯这名机器人，可是USR公司是不会同意的。头疼的约翰不由说到，“我怀念以前的好日子。”史普纳问道“什么好日子”，约翰的回答让现场观众都沉默了下来，“只有人才能杀人的日子”。显然，失去控制的机器人，对于人类来说也许就意味着毁灭。
史普纳最终还是得以审问这名异常机器人了。这名机器人却询问，“你刚才进来之前，对另外一名人类做了一下这个动作，”然后机器人就做了一个眨眼的动作，虽然不如史普纳做的那么生动，却也依旧时活灵活现，“这意味着什么？”
“这表示人类之间的信任，你不会理解的。”史普纳如是说道。
“人类才会做梦，狗都会做梦，但是你们不会。你只是个机器，对生命的模拟。”史普纳对于机器人的不信任清晰可见。
而面对史普纳步步紧逼的质疑，这名机器人始终不承认自己谋杀了兰尼博士，他还有一个名字，“桑尼”。同时，桑尼也记起来了，兰尼博士是自杀的，但是他却似乎被什么东西吓到了，所以请求了桑尼的帮助，这让史普纳发现了事情的不正常。
史普纳和桑尼简短的对话，包含了许多内容，最重要的是，这个叫做桑尼的机器人开始拥有了人类的情感，也开始能够独立思考，虽然他还无法理解太多的情感问题，但他的的确确脱离了机器人冰冷程序运转的牢笼，开始产生了智能化的迹象。
但是，USR公司的总裁以“机器人不是人，就算是它杀人了也只是工业故障”为由，将桑尼带走了。这意味着，关于兰尼博士，关于事件内幕的调查，到这里断了线索。史普纳一时不知道应该如何是好，走到了酒吧里借酒消愁。
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