Apesar de ter uma carga gigantesca de computação gráfica e efeitos especiais (muitos deles inéditos no cinema), o destaque de "Eu, Robô" vai mesmo para sua história, que traz doses bem equilibradas ação, comédia, reflexão e tensão sobre uma trama inteligente e criativa.
Este roteiro foi sugerido a partir do livro homônimo do visionário escritor Isaac Asimov, uma sumidade no gênero ficção científica. O filme se passa no ano de 2035, um período em que robôs já se tornaram parte do dia-a-dia dos seres humanos, executando funções domésticas e trabalhos braçais.
Will Smith vive o detetive Spooner, um policial paranóico e preconceituoso quanto aos robôs - seu pai perdera o emprego para uma máquina - que vive num apartamento com poucos modernismos e que ainda gosta de usar os tradicionais tênis All Star.
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A empresa U.S. Robotics é a principal fabricante de robôs domésticos. Suas máquinas obedecem às três leis da robótica: 1) um robô não pode ferir um ser humano ou permitir que um ser humano corra perigo; 2) um robô deve obedecer as ordens de um ser humano, ao menos que tais ordens estejam em conflito com a primeira lei; 3) um robô deve proteger sua própria existência contanto que isso não esteja em conflito com a primeira ou segunda lei.
Estas leis foram criadas pelo fundador da empresa, Dr. Alfred Lanning (James Cromwell), que certo dia é encontrado morto no saguão do edifício da U.S. Robotics. As evidências apontam suicídio, porém Spooner acredita que o doutor foi assassinado por uma de suas criações. Na busca de pistas, encontra o rebelde robô Sonny, pertencente à nova linha NS-5, mais inteligente que as máquinas de gerações anteriores.
Sonny desobedece às três leis, agride o detetive, tira sua arma para tentar alvejá-lo e foge. Depois de uma trabalhosa captura pela polícia, ele é interrogado, mas nega assassinato, inclusive demonstrando raiva, um sentimento nunca antes simulado por máquinas.
Por falta de provas, o robô volta à empresa, onde fica sob observação. Spooner é afastado do caso por seu chefe. Muito teimoso, o detetive continua a investigar por conta própria, o que incomoda muito o presidente da U.S. Robotics, Lawrence Robertson (Bruce Greenwood), pois uma notícia sobre um robô assassino colocaria em ruínas sua campanha de lançamento de seu mais novo modelo de robôs domésticos no mercado.
A saída é eliminar o detetive antes que ele cause mais problemas à empresa. E a partir daí o filme começa a ficar mais interessante, trazendo surpresas inesperadas sobre os personagens.