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Agent Based Simulation of Termite Construction Using Multiple Environmental Stimuli and Division of Labour.

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Topic Description

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Summary
When trying to analyse complex systems it can be advantageous to try and simulate the system you are
trying to analyse. The methods that insects use to create elaborate nest structures is one such complex
system that researchers are trying to simulate. This project builds on recent work into this area and
tries to expand on the research into termite nest construction by re-evaluating the biological evidence to
produce a computer simulation that is more biologically relevant.
This research builds on previous work by including extra stimulus such as trail pheromone and tactile
response to the simulation. An other key to this research is a reversal of previous thought that queen
pheromone acts as a building stimulus and instead acts as a building inhibitor.
The results show that there are alternative hypotheses on the methods and stimulations that termites use to construct various structures.

Contents
1 Introduction 1
1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Aim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.4 Minimum Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Background 3
2.1 Background Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Multi Agent Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Swarm Intelligence and Emergent Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.3 Division of Labour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.4 Termite Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Biological Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 Overview of Bruinsma’s work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 Methodology 10
3.1 Simulation Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.2 Previous Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.3 Biological Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.4 Simulation Requirements of Biological Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Simulation Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.1 The Development Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.2 Schedule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 The Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3.2 Simulation Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.2.1 Graphic User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.2.2 Batch interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
iii
3.3.3 Simulation World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.3.1 World Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.3.2 World Rendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.4 Simulation process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.4.1 Pheromones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.5 Termite Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.5.1 Peromone Taxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.5.2 Division of Labour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.5.3 Stimulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.5.4 Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 Results 27
4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.1 Visualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.2 Static Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2 Queen Pheromone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3 Tactile Stimulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4 Cement Pheromone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5 Trail Pheromone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5 Discussion 34
5.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.1.1 Review of Biological Hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.1.2 Simulation Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 Queen Pheromone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.3 Tactile Stimulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.4 Cement Pheromone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.5 Trail Pheromone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.6 Building Formations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.6.0.1 Queen Rings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.6.0.2 Static Pillars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.7 Other Stimuli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.8 Further Hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.8.1 Bucket Brigade Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.9 Project Schedule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.10 Future Endeavor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.10.0.1 Comparison with more Bruinsma Observations . . . . . . . . . . . . 42
5.10.0.2 Mathematical Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.10.0.3 Different Models for Handling Behaviour . . . . . . . . . . . . . . 43
iv
5.10.0.4 Genetic Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6 Evaluation 44
6.1 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.2 Dimensionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Bibliography 47
7 Appendix A 50
7.1 Personal Reection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
8 Appendix B – Parameters 53
9 Appendix C – Sequence Shots 56
9.1 Queen Pheromone and Labour Sequence

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