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Models of Termite Nest Construction

10,000 3,000

Topic Description

Summary
This project aims to investigate the methods used by termites to build nests. The project starts by
detailing the eld of Swarm Intelligence and its biological background. It then moves on to examine
models of collective construction in detail. Two models are developed to investigate collective construction,
the rst is a reimplementation of a mathematical model by Bonabeau et al. [5], the second a new
agent-based model which aims to model elements of the process which were ignored in the mathematical
model. The results of these two models are then compared and it is found that there are weaknesses
in the mathematical model where processes are not accurately captured. It is found that, despite the
introduction of constraints, the agent-based model is able to reproduce the results of the mathematical
model whilst not suffering from the same weaknesses.

Contents
1 Aims 1
2 Background Reading 3
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Collective Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2 Ants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.3 Wasps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.4 Termites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.5 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Aspects of Swarm Intelligence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1 Foraging behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 Collective sorting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.3 Division of labour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.4 Collective transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Models Of Collective Construction 14
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 Mathematical model of Construction in Termite Colonies . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.1 How it worked . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.2 Evaluation of the Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.3 Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Agent-based model of Wasp Building Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.1 How it worked . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.2 Evaluation of the Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.3 Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
iii
4 Method 22
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.3 Project Schedule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.4 Design of the Agent-based Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.4.1 World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.4.2 Pheromones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.2.1 Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.2.2 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.2.3 Pheromone Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4.3 Termites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.4.3.1 Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.4.3.2 Block Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4.4 Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4.5 Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.5 Implementation of the Agent-based Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.6 Implementation of the Mathematical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5 Results 35
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 Results from the Mathematical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.1 Pillars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.2 Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.3 Queen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2.4 Trails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.2.5 Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3 Results from the Agent-based Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3.1 Queen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.3.2 Pillars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.3.3 Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3.4 Single Path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.3.5 Two Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6 Discussion 52
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.3 Quantitative differences in the mathematical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
iv
6.4 Queen Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.5 Pillars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.6 Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.7 Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.8 Crossed Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.9 Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7 Conclusion 59
Bibliography 61
8 Appendix A 64
8.1 What went well . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.2 What went wrong and what I have learnt from it . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9 Appendix B 66
9.1 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
9.2 Criteria for the models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
9.2.1 Did the agent-based model capture the behaviour of the real system? . . . . . . 66
9.2.2 Was the physics of the agent-based model plausible? . . . . . . . . . . . . . . 67
9.2.3 Did the implementation of the mathematical model replicate the original work? 68
9.2.4 Were the extensions of the mathematical model plausible? . . . . . . . . . . . 68
9.3 Criteria for the comparison of the models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
9.3.1 Was anything learnt from the comparison of the models? . . . . . . . . . . . . 69
9.3.2 Were the methods of comparison scientically strong? . . . . . . . . . . . . . 69
v

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