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《我的机器人男友》讲述了医大毕业生林墨白和率直纯真的女记者蒋梦言意外邂逅，一场热情猛烈的“女追男”攻势随之展开。在一次事故后，生命垂危的林墨白被科学家父亲利用人工智能技术进行改造，不仅拥有了开挂般的超能力，并且在爱情旅途中收获了别样风景。
实习医生林墨白和同事们一起出去开会的路上，遇到了一起突发的大型车祸现场。他和同事们紧急出去，立即展开了现场救护工作。由于车祸撞断了电线，导致半截正冒着火花的电线垂在了其中一辆私家车的车门上，阻断了车内母子的逃生之路。林墨白急中生智，借用了路人的遥控飞机挑走了电线，成功救出母子，博得了救护现场一片热烈掌声。
蒋梦言从闺蜜那里得到了林墨白每日的行动轨迹，便决定立即展开主动追求攻势。从未早起过的她破天荒地清早起床，换上了一身运动装束，也来到林墨白晨跑的地方跑步，还故意装作崴了脚请林墨白救治。
林斯坦意识到墨白还在生自己的气，十分懊悔。他的事业如此成功，研发了各种各样的智能系统，却没有一套教给自己该如何处理父子关系的，郁闷的林斯坦只能对着妻子的三维人像倾诉心声。
林斯坦一边观察着林墨白身体的各种反应，一边不断调整着程序设定，以期让林墨白看上去更像一个真正的人。但人工智能毕竟和人类大脑不一样，而且存入芯片的记忆调取也需要时间，所以墨白暂时还显得有些机械和僵硬。
乔可铭直接拒绝了客户马总敬的酒，没给马总留一点面子，让马总当众有些下不来台。名模海菱适时过来化解了尴尬的气氛，也替乔可铭解了围。她一直感念乔可铭当年的知遇之恩，并承诺可以帮乔可铭继续搞定马总，条件是让他帮自己量身定制一套珠宝首饰。乔可铭同样拒绝了海菱，不过原因却是因为怜惜她，这让海菱对他的好感又增加了几分。
蒋梦言一大早醒来就被妈妈询问昨天送自己回来的帅哥是谁，可一喝酒就断片的蒋梦言对乔可铭已经丝毫印象，误以为是送自己回来的是专车司机。蒋梦言妈妈却持不同看法，因为乔可铭打扮得体又气质非常，绝不仅仅是一个专车司机那么简单。
蒋梦言在乔可铭家门口巧遇了海菱，海菱是受了乔可铭的委托，专程来接奶奶去医院的。不知为什么，她一见到蒋梦言就莫名产生了敌意。蒋梦言因为喝酒断片，对海菱已经没有什么印象了，简单寒暄几句后，两人就一起送奶奶去了医院。奇怪的是，患有老年痴呆症的奶奶才刚见过蒋梦言一面，就一直对她念念不忘，却对经常出入自己家的海菱表现得很陌生。
一名怀孕的女患者找到贾长安，请他帮忙偷偷更改一下检查单上孕期的时间，被贾长安拒绝，女患者无奈只得离去。没几分钟，患者的丈夫就去而复返，询问贾长安胎儿的胎龄。贾长安立刻明白了什么，对患者的丈夫含糊其辞，打发了过去。本以为这件事就此结束，可等贾长安下班时，却发现女患者一直在等他，说出了孩子并不是老公的隐情，拜托贾长安帮忙打掉这个孩子。贾长安没有答应，毕竟孩子是一个无辜的小生命，劝她回家慎重考虑。两人的谈话被李笑花听到，被贾长安内心的温柔善良而感动。后来，那位女患者还是因为突发大出血被送往医院，经过手术虽然保住了大人，但孩子还是没保住。
林墨白只是在理论上知道什么是开心、伤心、拒绝和喜欢，但其实他的心里却感知不到任何东西，所以一直无法回答蒋梦言关于爱和不爱的问题。家中的机器狗小七却教育他，虽然人工智能没有情感，但当有异性做出情感表达的时候，要做出积极回应，这才符合人工智能不能伤害人类的规定。虽然人类的情感太过复杂，难以分析，但林墨白还是想把所有的情绪都彻底研究明白，便开始借助网络学习情感问题，还注意倾听路人们关于感情的谈话。
林墨白把蒋梦言安顿入睡后，习惯性地从抽屉里拿出电子宠物把玩。这个玩具把他的思绪再次带回到小时候。小时候的林墨白，在有一次陪妈妈去医院看病时，结识了一名正在玩电子宠物的小女孩，林墨白手中的电子宠物正是那个小女孩的，当时他还承诺下次见面时拿给她，可两人之后就再也没机会相见。
在蒋梦言的眼中，林墨白勇敢、善良，同时也很神秘。虽然他有时表现得很奇怪，但却有一颗永远为他人着想、永远把照顾别人放在首位的真心。所以，只要林墨白说的话蒋梦言都愿意相信，蒋梦言也是被林墨白真诚善良的本心所吸引，才爱上了他。
医院里转来一位病情危重的患者，各科室立即集中起来，共同商讨最佳治疗方案。林墨白根据自己的智脑分析，提出了一个较为大胆的创新治疗方案，但徐主任觉得风险太高，并没有立即采纳。
林墨白向李笑花一一请教了约会的各个环节和需要注意的事项，李笑花热心指点，关键时刻还亲身为他做示范，贾长安因此醋意大发。墨白因为笑花的无私帮助想请她吃饭作为感谢，笑花反而感谢墨白帮了自己一个大忙。
林斯坦本以为机器人是不可能产生人类情感的，所以在墨白的情绪设定中，为了无限接近和模仿人类，只需要让他把这种情绪表现出来即可，家中的其他机器人则完全没有感情。可墨白却严肃地向父亲提出，应该给所有的机器人增加情绪设定。林斯坦乍一听觉得这个想法很可笑，但转念一想墨白也是机器人，便立刻严肃了起来。
主编亲自来看医院看望术后的梦言，顺便请她从当事人的角度出发，写一篇自述稿件发表到网站上。就在主编即将离开时，迎面碰到墨白和师兄陈医生。主编和陈医生曾是一对相恋十年之久的恩爱夫妻，却因各自的工作繁忙导致聚少离多，最后不得不以离婚收场。梦言和墨白单独相处时，也为主编和陈医生两人的缘分唏嘘不已，但即使这样，梦言仍愿意选择婚姻。乔可铭也来医院探望梦言，却怕引起墨白误会，只将送给梦言的补品让墨白代为转交后就离开了。
医院转来一名煤气中毒的孕妇，情况十分危急。贾长安听到胎儿的胎心很正常，便赶紧全力救治孕妇，可最终仍是无力回天。贾长安为此非常自责，向笑花倾诉，自己虽身为一名医生，却一直无法适应死亡的场面，所以才选择做了一名妇产科医生，去迎接新生命的到来。校花不忍心看贾长安伤心，便在下班后叫上了墨白和雨菲一起，陪贾长安到酒吧散心。
梦言一直照顾雨菲到她醒来，还给雨菲拿酸奶解酒。酸奶解酒这件事梦言还是跟墨白学的，可她并不知晓，这是当年雨菲教给墨白的。梦言看到雨菲家的照片墙上，挂着雨菲当年和墨白拍下的亲密合影，照片里的墨白笑得是那么开心，这表情连梦言都没有见过，心中难免有些吃醋。梦言不死心地亲口向雨菲确认，她是否就是墨白心里一直有的那个人。可当她听到雨菲肯定的回答后，心里却更难受了。
雨菲的前夫又打来电话骚扰她。此时的雨菲更加需要一个感情的依靠，她想知道墨白当年对自己的告白是否还有效，却并不晓得墨白的智脑根本回答不了这个问题。对于墨白的不置可否，雨菲只当是他还没考虑好，便承诺会耐心等待他的答案。两人的这一幕也被梦言看到。
墨白坦言，直到现在自己仍然喜欢雨菲姐，只不过是对亲人的那种喜欢，并非爱情。而且现在的雨菲因为经历了太多的事情，又处于感情空窗期，只是想迫切地抓住自己这根救命稻草而已，也并非是真的爱情。等再过一段时间，雨菲的心情平复下来之后，一切自然都会好起来。
乔可铭取消了新品发布会，把原本准备在发布会上公之于众的戒指送给梦言。梦言一直明白可铭对自己的心意，但她刚刚失恋，还需要时间来愈合伤口，现在还不能接受可铭的感情，便委婉地拒绝了可铭。随后，梦言再次来到医院，把乔可铭向自己表白的事告知了墨白。墨白有一瞬间的冲动，想上前抓住梦言的手，却被他的智脑制止，只好中途停下。墨白冷漠的反应让梦言更加伤心。
