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罗蕾莱回归后，日本城迎来和平，却也准备停止制造新的机械人偶。莱姆看到替代品与新时代的到来，担心自己终会被遗忘；忙于筹备庆典的小樽起初没有察觉她突然低落的情绪。

小樽负责筹备热闹的三社祭，莱姆、樱桃和红莓得知山车竞速的胜者可以实现一个愿望后立刻报名。三人都想独占小樽，于是驾驶高科技山车展开一场夹杂阴谋与捣乱的比赛。

花形的父亲来到日本城，要把儿子带回家继承企业。花形不愿离开小樽，竟向父亲提出以摔跤比赛决定自己的去留；夸张的特训与比赛让整座城市都卷入这场父子较量。

曾与众人为敌的老虎、山猫和黑豹已经融入日本城，却突然收到浮士德要求她们返回的信。三人不确定少女回路是否已经成熟，便向小樽求助，试图分辨命令、忠诚与自己真正想要的生活。

世界各国组成的白泷联盟访问日本城，小樽与人偶们负责接待。莱姆、樱桃和红莓带着古怪宾客观光时，城市里却发生盗窃案；看似普通的白泷面也成为追查犯人的关键线索。

红莓期待与小樽约会，计划却被一连串意外打乱。她独自来到原定要看的马戏团，遇到一名长相与小樽几乎相同的表演者昭；这段奇遇让她重新思考自己为何喜欢小樽。

莱姆在森林里遇见只有她能看到的妖精。罗蕾莱解释说，拥有纯净心灵的机械人偶才能看见妖精；莱姆与妖精成为朋友，却也知道这段相遇注定要在某个时刻迎来告别。

樱桃发现一个装着人类婴儿的胶囊，少女回路立刻唤醒她的母性。她坚持亲自照顾孩子，即使被当成绑架犯也不肯放手；小樽一行必须查清婴儿的来历，同时帮助樱桃面对分离。

小樽和人偶们受托建设儿童游乐场，却发现施工要毁掉一片森林。莱姆拒绝接受这个代价，与源内留在林中保护动物和树木；其他人则必须在城市建设与自然之间找到新的方案。

罗蕾莱因无法离开城堡而心情低落，小樽便与三名人偶秘密安排野餐。众人刚出发不久，罗蕾莱便在袭击中失踪；寻找她的过程中，新的敌人与加尔特兰特复活的阴影同时出现。

罗蕾莱遭绑架后，盖特尔向特拉二号各国宣布加尔特兰特重生。小樽认为带罗蕾莱外出是自己的责任，独自踏上营救之路；等待他的不仅是敌军，还有动摇三名人偶命运的意外。

浮士德为了寻找日本城机动要塞而绑架罗蕾莱，并命令老虎、山猫和黑豹攻击小樽一行。三名军用人偶察觉浮士德又恢复过去的残暴，开始怀疑眼前的主君是否仍是本人。

浮士德准备带着罗蕾莱乘上机动要塞，小樽与三名人偶全力阻止。关键时刻，一名意想不到的盟友打乱敌军计划；莱姆、樱桃和红莓则必须在有限时间内救出罗蕾莱并阻止要塞启动。

小樽幸运得到两张前往西安的车票，却迟迟无法决定带谁同行，只好拼命打工拖延。莱姆、樱桃和红莓都期待被选中；忙碌过后，小樽终于准备宣布自己的选择。

小樽、莱姆、樱桃和红莓首次来到繁华的西安，受到名将赵将军热情款待。当天夜里，小樽突然高烧倒下，花形带着神秘医生赶来；一场被称为“梦热”的疾病正在悄然改变众人。

小樽昏睡五天后醒来，发现三名人偶为了治好自己已全部失踪，而西安政府又把他列为恐怖分子。他尚未弄清发生了什么，就必须同时躲避追捕并寻找莱姆、樱桃和红莓的下落。

小樽与花形四处寻找三名人偶，遇到声称掌握情报的地下首领。对方要求小樽与铁面战士进行生死决斗，才肯告诉他女孩们的去向；小樽在毫无退路的情况下接受挑战。

莱姆在西安医院担任护士，成为患者不可缺少的帮手；樱桃则在孤儿院照顾孩子，并逐渐被孩子们依赖。一名孤儿受伤送医后，两人终于重逢，却为了隐瞒过去而像陌生人般相对。

红莓失去记忆，在西安马戏团与昭一起生活，并被犯罪团伙盯上。她努力回想自己究竟是谁，马戏团伙伴则决定保护她；小樽的搜寻也因时间流逝而愈发艰难。

西安连日暴雨，赵将军准备撤销小樽的通缉令，警察却仍穷追不舍。小樽与花形坠河后被周医生救起，并在医院见到已经找到新生活的莱姆和樱桃；他开始犹豫是否该把她们带走。

小樽一行在逃亡中遭到战斗机械追击，赫斯博士的计划逐渐浮出水面。生死压力使莱姆、樱桃和红莓恢复记忆，也让赫斯获得他一直寻找的数据；博士随即逃离，西安只抓到了杨明。

小樽住院后仍无法决定要在三名人偶中选择谁，女孩们也因“三人合为一体”的爱情、有限的人类生命与机械的永恒而痛苦。赫斯博士趁乱派机械人偶潜入克隆设施，新的威胁逼近日本城。

赫斯博士的过去被揭开：他曾是地球宇航员，却因任务被同伴遗弃而与家人永别。莱姆开始认真考虑成为人类的提议，小樽则在归途中被老虎带离列车，必须面对她的质问与博士的阴谋。

莱姆执意接受赫斯的改造，樱桃和红莓潜入飞船阻止她。三人围绕“机械身体是否也配拥有幸福”发生冲突，小樽则拼命闯入新美索不达米亚；飞船启动后引发西安与日本城的强烈地震。

三名人偶在飞船中见到赫斯以全息影像重现的家人，也得知他打算用炸弹向地球复仇。莱姆、樱桃和红莓拒绝继续被利用，合力破坏飞船；她们在危机中确认彼此与小樽的羁绊，并为成为真正的人类留下希望。