2049년, 국가를 해체하고 특별시 단위로 재편된 세계는 다인종, 다문화를 기반으로 로봇과 인간이 공존하고 있다. 서울특별시 보안청 대뇌수사팀장 은석범 검사는 피살자의 단기기억을 영상으로 추출하는 장치인 '스티머스'를 발명한다. 은석범을 팀장으로 남앨리스, 성창수, 지병식 형사로 구성된 대뇌수사팀은 피살자의 마지막 기억에서 사건 해결의 단서를 포착하여 흉악범들을 잇달아 체포한다.
한편 사이스트(SAIST)의 엉뚱한 천재 공학자 최볼테르 교수는 이종 격투기 로봇 개발에 몰두한다. 그는 로봇 트레이너 서사라, 뇌신경과학자 노민선 등과 힘을 합쳐 '글라슈트'라는 로봇을 만든다. 2048년 한 해 동안 뛰어난 성적을 올린 글라슈트는 세계 격투기 로봇 대회인 '배틀원 2049'에 초청되기에 이른다.
로봇전용 방송국 '보노보' 개국을 기념해서 열린 평가전에서 글라슈트는 사무라이 캐릭터 로봇 무사시에게 참패한다. 패배를 참지 못한 볼테르는 경기장 기물을 파손하고, 이 때문에 앵거 클리닉에서 치료를 받게 된다. '보노보' 개국을 반대하는 자연인 그룹은 테러를 예고하고, '보노보' 방송국과 사이보그 거리의 '부엉이 빌딩'이 동시에 폭발하는 사고가 발생한다. 서사라와 노민선은 부엉이 빌딩에서 극적으로 목숨을 구한다.
이 때, 특별시 외곽 오염지대 꽃 언덕에서 중년 사내(꽃뇌)의 사체가 발견된 데 이어, 20년 동안 수천 마리의 애완견을 키워온 여인(도그맘)까지 살해당한다. 연쇄살인범이 피살자의 두개골을 쪼갠 후 뇌를 꺼내 사라졌기 때문에, 스티머스로 피살자의 뇌에서 단기 기억을 추출하는 것 자체가 불가능하다. 석범은 여인과 함께 살해된 퍼그의 뇌에서 단기기억을 추출하기 위해 뇌신경과학자 노민선의 자문을 받는다. 그러나 결정적인 단서 확보에는 실패하고 사건은 미궁으로 빠져든다.
드디어 '배틀원 2049'가 상암동 로봇 격투기 전용경기장에서 화력하게 개막되고, 글라슈트는 졸전 끝에 32강전을 겨우 통과하는데......
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