Sachverhalt:
A.
Die Staatsanwaltschaft des Kantons Zürich wirft X._ vor, seiner vor dem errechneten Geburtstermin zur Welt gekommenen Tochter am 4., 21. und 29. Dezember 2011 jeweils 4 mg Temesta Expedit, aufgelöst im Milchschoppen, verabreicht zu haben. Zudem habe er ihr am 17. Januar 2012 erneut 4 mg Temesta gegeben und ca. zweieinhalb Stunden später zusätzlich eine unbekannte Menge Insulin, mutmasslich 18 Einheiten, injiziert. Es habe jeweils akute Lebensgefahr für den Säugling bestanden und X._ habe bei allen Medikamenten-Abgaben den Tod seiner Tochter gewollt oder zumindest billigend in Kauf genommen und dabei besonders skrupellos gehandelt.
Das Bezirksgericht Winterthur verurteilte X._ am 3. April 2014 wegen mehrfach (eventualvorsätzlich) versuchten Mordes (in vier Fällen) zu einer Freiheitsstrafe von 12 Jahren. Es nahm Vormerk, dass er die Genugtuungsforderungen von Fr. 25'000.- (Tochter; nachstehend zur besseren Lesbarkeit ohne Bezug auf die Prozessstellung im bundesgerichtlichen Verfahren: Privatklägerin 1) und Fr. 15'000.- (Kindsmutter; nachstehend zur besseren Lesbarkeit ohne Bezug auf die Prozessstellung im bundesgerichtlichen Verfahren: Privatklägerin 2) sowie seine Schadensersatzpflicht gegenüber der Privatklägerin 1 dem Grundsatz nach sowie die geltend gemachte Schadensersatzforderung der Privatklägerin 2 anerkennt. Im Übrigen verwies es die Zivilforderungen der Privatklägerinnen auf den Zivilweg.
B.
X._ erhob gegen das Urteil des Bezirksgerichts Berufung, die Staatsanwaltschaft erklärte Anschlussberufung. Die Privatklägerinnen verzichteten auf Rechtsmittel. Das Obergericht des Kantons Zürich verurteilte X._ am 18. Dezember 2015 wegen mehrfach (direkt vorsätzlich) versuchten Mordes (in drei Fällen) und qualifizierter einfacher Körperverletzung zu einer Freiheitsstrafe von 16 Jahren.
C.
X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt zusammengefasst, das Urteil des Obergerichts sei aufzuheben und er sei vom Vorwurf des mehrfachen Mordes freizusprechen. Eventualiter sei die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege.
Die Oberstaatsanwaltschaft des Kantons Zürich verzichtet auf eine Vernehmlassung. Das Obergericht hat sich auf 23 Seiten umfassend geäussert. X._ verzichtet auf eine Stellungnahme zur Vernehmlassung des Obergerichts und hält an seinen Ausführungen in der Beschwerde fest.
Erwägungen:
1.
Das Bundesgericht entscheidet über die Beschwerde mit Datum vom heutigen Tag auf dem Zirkulationsweg. Die unaufgefordert eingereichten Anträge der Privatklägerinnen, die Öffentlichkeit im Falle einer Parteiverhandlung und mündlichen Beratung mit Ausnahme der akkreditierten Gerichtsberichterstatter auszuschliessen und Schutzmassnahmen zur Wahrung ihrer Anonymität zu ergreifen sowie deren Gesuche um unentgeltliche Rechtspflege sind damit gegenstandslos.
Auf eine Einladung zur Vernehmlassung der Privatklägerinnen wurde verzichtet, da deren geltend gemachten Zivilforderungen unangefochten in Rechtskraft erwachsen sind und sie im Berufungsverfahren keine Anträge gestellt haben.
2.
2.1. Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung der Vorschriften über die Beweisverwertung. Weder ihm noch seinem Verteidiger sei bei den Einvernahmen der Privatklägerin 2 vom 21. Januar, 6. und 15. März 2012 das Teilnahme- und Fragerecht gemäss Art. 141 Abs. 1 StPO gewährt worden, weshalb die Einvernahmen unverwertbar seien.
2.2. Die Vorinstanz erwägt, entgegen dem erstinstanzlichen Urteil seien die Einvernahmen der Privatklägerin 2 vom 21. Januar, 6. und 15. März 2012 verwertbar. Der Beschwerdeführer und sein Verteidiger hätten anlässlich der Konfrontationseinvernahme vom 24. Mai 2012 Gelegenheit erhalten, zu den Aussagen der Privatklägerin 2 Stellung zu nehmen und Ergänzungsfragen zu stellen. Dies sei gemäss bundesgerichtlicher Rechtsprechung bei getrennt geführten Strafverfahren erforderlich und ausreichend.
2.3. Gemäss Art. 147 Abs. 1 Satz 1 StPO haben die Parteien das Recht, bei Beweiserhebungen durch die Staatsanwaltschaft und die Gerichte anwesend zu sein und einvernommenen Personen Fragen zu stellen. Der Anspruch auf Teilnahme an den Beweiserhebungen im Untersuchungs- und Hauptverfahren gilt grundsätzlich auch für die Einvernahme von Mitbeschuldigten. Die Parteien können spätestens nach der ersten Einvernahme der beschuldigten Person und der Erhebung der übrigen wichtigsten Beweise durch die Staatsanwaltschaft die Akten des Strafverfahrens einsehen; Art. 108 StPO bleibt vorbehalten (Art. 101 Abs. 1 StPO). Beweise, die in Verletzung dieser Bestimmung erhoben worden sind, dürfen nach Art. 147 Abs. 4 StPO nicht zulasten der Partei verwendet werden, die nicht anwesend war (BGE 141 IV 220 E. 4 S. 227 ff.; 140 IV 172 E. 1.2.2 S. 175; 139 IV 25 E. 5.1-5.3 S. 30 ff.; je mit Hinweisen).
Das Recht, bei Beweiserhebungen durch die Staatsanwaltschaft und die Gerichte anwesend zu sein und der einvernommenen Personen Fragen zu stellen, setzt Parteistellung voraus. Parteien sind die beschuldigte Person, die Privatklägerschaft sowie im Haupt- und im Rechtsmittelverfahren die Staatsanwaltschaft (Art. 104 Abs. 1 StPO). In getrennt geführten Verfahren kommt den Beschuldigten im jeweils anderen Verfahren keine Parteistellung zu. Ein gesetzlicher Anspruch auf Teilnahme an den Beweiserhebungen im eigenständigen Untersuchungs- und Hauptverfahren einer anderen beschuldigten Person besteht nicht (Art. 147 Abs. 1 StPO e contrario; BGE 141 IV 220 E. 4.5 S. 229 f.; 140 IV 172 E. 1.2.3 S. 176).
2.4. Die Vorinstanz ist der Auffassung, dass gegen den Beschwerdeführer und die Privatklägerin 2 getrennte Strafverfahren geführt worden seien, was sie im angefochtenen Entscheid nicht begründet und sich auch den Verfahrensakten nicht entnehmen lässt.
Auch die (allfällige) Verfahrenseinstellung zugunsten der Privatklägerin 2 - der Beschwerdeführer weist zutreffend darauf hin, dass sich in den Akten keine Einstellungsverfügung findet -, liesse dessen Parteistellung und die daraus resultierenden Teilnahmerechte im Zeitpunkt der damaligen Einvernahmen nicht rückwirkend entfallen. Gründe, die eine Einschränkung der Teilnahmerechte des Beschwerdeführers und seines Verteidigers in und nach der ersten staatsanwaltschaftlichen Einvernahme der Privatklägerin 2 rechtfertigen, nennt die Vorinstanz nicht (vgl. hierzu: BGE 141 IV 220 E. 4.4; 139 IV 25 E. 5.5). Ob sich das Beweisergebnis allenfalls auch auf andere verwertbare Beweise abstützen lässt und inwiefern die beanstandeten Einvernahmen im Rahmen der Beweiswürdigung entscheidende Bedeutung zukommt, kann aufgrund der nachfolgenden Erwägungen offenbleiben.
3.
3.1. Der Beschwerdeführer rügt eine willkürliche und aktenwidrige Beweiswürdigung. Die Vorinstanz berücksichtige eine Vielzahl entlastender Indizien bei der Sachverhaltsfeststellung nicht und argumentiere widersprüchlich und einseitig zu seinen Lasten. Sie auferlege ihm stillschweigend den Beweis, die tatbestandlich vorausgesetzte Tötungsabsicht zu widerlegen, und setze sich mit seiner ausführlichen Argumentation zur Wissensseite nicht auseinander. Bei willkürfreier Würdigung sämtlicher Beweise hätte sie in Anwendung des Grundsatzes "in dubio pro reo" bei den ersten drei Taten objektiv eine akute Lebensgefahr für die Privatklägerin 1 durch die Abgabe von jeweils 4 mg Temesta und hinsichtlich aller vier Handlungen einen Tötungsvorsatz verneinen müssen.
3.2. Die Vorinstanz bejaht abweichend vom Bezirksgericht nicht nur eventualvorsätzliches Handeln, sondern Tötungsabsicht des Beschwerdeführers bei drei Medikamentenabgaben. Sie erwägt zusammengefasst, für die Frage, ob drei der vier Medikamentenabgaben rechtlich als Mordversuch zu qualifizieren seien, komme es nicht darauf an, ob eine unmittelbare Lebensgefahr im Sinne von Art. 122 Abs. 1 StGB vorgelegen habe, sondern ob das Handeln des Beschwerdeführers geeignet gewesen sei, den Tod der Privatklägerin 1 zu bewirken, andernfalls Tötungsversuche mit untauglichen Mitteln im Sinne von Art. 22 Abs. 1 StGB, bei denen der Todeseintritt schlechterdings nicht möglich ist, zur Diskussion stünden. Für die Wissenskomponente könne auf die überzeugende Begründung des Bezirksgerichts verwiesen werden, wonach der Beschwerdeführer bei jeder seiner Taten gewusst habe, dass sowohl die isolierte als auch die kombinierte Abgabe von Temesta und Insulin hätten tödlich enden können. Für die Beantwortung der Frage, ob der Beschwerdeführer die Absicht gehabt habe, die Privatklägerin 1 zu töten, sei von den Ereignissen des 17. Januar 2012 (kombinierte Temesta-Insulin-Abgabe) auszugehen. Entgegen der Ansicht des Bezirksgerichts sei anzunehmen, dass der Beschwerdeführer bei den Temesta-Abgaben vom 4. und 22. Dezember 2011 (erste und zweite Abgabe) sowie bei der kombinierten Temesta-Insulin-Abgabe (vierte Abgabe) vom 17. Januar 2012 die Absicht gehabt habe, die Privatklägerin 1 zu töten. Hingegen habe er mit der dritten Temesta-Abgabe weder die Tötung der Privatklägerin 1 in Kauf genommen noch mit direkter Tötungsabsicht gehandelt.
3.3.
3.3.1. Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (Art. 105 Abs. 1 BGG). Die Sachverhaltsfeststellung kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (Art. 97 Abs. 1 BGG). Offensichtlich unrichtig im Sinne von Art. 97 Abs. 1 BGG ist die Sachverhaltsfeststellung bzw. die Beweiswürdigung, wenn das Gericht den Sinn und die Tragweite eines Beweismittels offensichtlich falsch eingeschätzt, ohne sachlichen Grund ein wichtiges und für den Ausgang des Verfahrens entscheidendes Beweismittel nicht beachtet oder aus den abgenommenen Beweisen unhaltbare Schlüsse gezogen hat (BGE 139 II 404 E. 10.1 S. 445; vgl. zum Begriff der Willkür BGE 141 IV 249 E. 1.3.1; je mit Hinweisen).
3.3.2. Was der Täter weiss, will und in Kauf nimmt, betrifft eine innere Tatsache und ist Tatfrage. Rechtsfrage ist hingegen, ob gestützt auf die festgestellten Tatsachen bewusste Fahrlässigkeit, Eventualvorsatz oder direkter Vorsatz gegeben ist (BGE 137 IV 1 E. 4.2.3 S. 4; 130 IV 58 E. 8.5 S. 62; je mit Hinweisen). Es besteht indes eine gewisse Überschneidung von Tatfragen (welche nur unter dem Gesichtswinkel der Willkür überprüfbar sind) und Rechtsfragen, denn der Sinngehalt des Eventualvorsatzes lässt sich nur im Lichte der tatsächlichen Umstände erschliessen. Das Bundesgericht kann daher in einem gewissen Ausmass die richtige Bewertung dieser Umstände im Hinblick auf den Rechtsbegriff des Eventualvorsatzes überprüfen (BGE 133 IV 9 E. 4.1 S. 17 mit Hinweisen).
Für den Nachweis des Vorsatzes darf das Gericht vom Wissen des Täters auf den Willen schliessen, wenn sich diesem die Verwirklichung der Gefahr als so wahrscheinlich aufdrängte, dass die Bereitschaft, sie als Folge hinzunehmen, vernünftigerweise nur als Inkaufnahme des Erfolgs ausgelegt werden kann (BGE 137 IV 1 E. 4.2.3 S. 4 mit Hinweis). Je grösser die Wahrscheinlichkeit der Tatbestandsverwirklichung ist und je schwerer die Rechtsgutsverletzung wiegt, desto näher liegt die Schlussfolgerung, der Täter habe die Tatbestandsverwirklichung in Kauf genommen (BGE 135 IV 12 E. 2.3.2 S. 17; 133 IV 222 E. 5.3 S. 226). Allerdings kann nicht unbesehen aus dem Wissen des Täters um die Möglichkeit des Erfolgseintritts auf dessen Inkaufnahme geschlossen werden. Sicheres Wissen um die unmittelbare Lebensgefahr, also um die Möglichkeit des Todes, ist nicht identisch mit sicherem Wissen um den Erfolgseintritt und kann sowohl mit (eventuellem) Tötungsvorsatz als auch bewusster Fahrlässigkeit bezüglich der Todesfolge einhergehen. Ein Tötungsvorsatz ist zu verneinen, wenn der Täter trotz der erkannten möglichen Lebensgefahr handelt, aber darauf vertraut, die Todesgefahr werde sich nicht realisieren. Zur Annahme eines Tötungsvorsatzes müssen zum Wissenselement weitere Umstände hinzukommen (BGE 133 IV 9 E. 4.1 S. 17; zur Verneinung des Eventualvorsatzes vgl. Urteil 6B_775/2011 vom 4. Juni 2012 E. 2.4). Solche Umstände liegen namentlich vor, wenn der Täter das ihm bekannte Risiko in keiner Weise kalkulieren und dosieren kann und der Geschädigte keinerlei Abwehrchancen hat (BGE 133 IV 1 E. 4.5 S. 7; 131 IV 1 E. 2.2 S. 5; Urteil 6B_754/2012 vom 18. Juli 2013 E. 3.2.4).
3.4. Die vorinstanzlichen Erwägungen vermögen keinen Schuldspruch wegen mehrfach versuchten (absichtlichen) Mordes zu begründen. Sie erweisen sich in tatsächlicher und rechtlicher Hinsicht in Teilen als fehlerhaft. Eine Nachbesserung oder Berichtigung des angefochtenen Urteils im Rahmen der 23-seitigen Vernehmlassung ist nicht möglich.
3.4.1. Welche Sachverhaltsfeststellungen die Vorinstanz zur Ermittlung und der Beurteilung der Wissens- und Willenskomponente zugrundelegt, ist unklar. Ihre Erwägung, "der in der Anklageschrift behauptete 'akut lebensbedrohliche Zustand' und die dort ebenfalls angeführte 'akute Lebensgefahr' seien nicht als unmittelbare Lebensgefahr im Sinne von Art. 122 Abs. 1 StGB zu verstehen, sondern als Möglichkeit, dass die Privatklägerin 1 durch die Medikamentenabgabe hätte sterben können", deuten wie die rechtliche Qualifikation der dritten Temesta-Abgabe als qualifiziert einfache Körperverletzung i.S.v. Art. 123 Ziff. 2 Abs. 2 und 3 StGB darauf hin, dass die Vorinstanz bei allen vier Taten von einer abstrakten Lebensgefahr für die Privatklägerin 1 ausgeht. Für diese Auslegung sprechen - soweit beachtlich - auch die Ausführungen in der Vernehmlassung. Die Vorinstanz betont, die im angefochtenen Entscheid verwendeten Begriffe "akute Lebensgefahr" und "akut lebensbedrohlicher Zustand" enthielten abweichend vom Begriff der unmittelbaren Lebensgefahr, bei dem sich die Möglichkeit des Todes dermassen verdichte, dass sie zur ernstlichen und dringlichen Wahrscheinlichkeit werde, gerade keine Aussage zur Wahrscheinlichkeit des Todeseintritts. Ob dies, wie die Vorinstanz ausführt, der Interpretation der Staatsanwaltschaft entspricht, erscheint (insbesondere auf die kombinierte Temesta-Insulin-Abgabe) zweifelhaft, hat jedoch allenfalls untergeordnete Bedeutung. Die Vorinstanz hat als erkennendes Gericht den für die Urteilsfindung massgebenden Sachverhalt selbst zu ermitteln und ist bei dessen rechtlicher Würdigung nicht an die Auffassung der Staatsanwaltschaft gebunden (vgl. Art. 10 Abs. 2, Art. 344 i.V.m. Art. 405 Abs. 1 StPO).
Die Vorinstanz verweist sodann in ihren weiteren Ausführungen auf die Erwägungen des Bezirksgerichts zum "äusseren Sachverhalt" und zur "Wissenskomponente" des Beschwerdeführers und macht sich diese explizit zu eigen. Das Bezirksgericht hatte aus den Aussagen der an der erstinstanzlichen Hauptverhandlung angehörten Sachverständigen des IRM auf eine konkrete Lebensgefahr der Privatklägerin 1 sowohl durch die drei isolierten Temesta-Abgaben als auch die kombinierte Verabreichung von Insulin und Temesta geschlossen (vgl. act. 107, Urteil des Bezirksgerichts S. 19 ff. E. 4.3.2 ff.) und war bei der Beurteilung des subjektiven Tatbestandes davon ausgegangen, der Beschwerdeführer habe bei jeder seiner Taten um die Wahrscheinlichkeit eines "verheerenden Ausgangs" gewusst. Die Feststellungen des Bezirksgerichts zum Grad der Gefährdung der Privatklägerin 1 sind jedoch mit dem für das Berufungsverfahren eingeholten Ergänzungsgutachten nicht zu vereinbaren. Die Vorinstanz hält zutreffend fest, dass der Sachverständige Prof. Dr. med A._ zum Schluss gelangt, "ein tödlicher Ausgang [sei] bei der zweiten und vierten sowie allenfalls bei der dritten Temesta-Abgabe nicht wahrscheinlich" gewesen und eine konkrete Lebensgefahr habe lediglich durch das Spritzen von Insulin bestanden. Warum die Vorinstanz dessen Präzisierungen gegenüber den übrigen Gutachtern in Bezug auf die einzelnen Tathandlungen für belanglos hält, begründet sie nicht. Zwar hängt die rechtliche Beurteilung, ob der Beschwerdeführer bei den einzelnen Taten jeweils Tötungsvorsatz hatte oder nicht, nicht vom Ausmass der tatsächlich eingetretenen Gesundheitsbeeinträchtigung und dem Grad der Lebensgefahr ab (vgl. Art. 22 StGB). Vorliegend ist jedoch aufgrund der widersprüchlichen Erwägungen zumindest hinsichtlich der Temesta-Abgaben unklar, was der Beschwerdeführer wusste, d.h. ob er nach seiner Vorstellung von der jeweiligen Tat davon ausging, eine bloss abstrakte oder konkrete Lebensgefahr für die Privatklägerin 1 zu schaffen oder meinte, diese könne oder werde durch Temesta sterben.
Damit erweisen sich die Ausführungen der Vorinstanz zur Wissenskomponente in Bezug auf die Verabreichung von Temesta als widersprüchlich und wenig aussagekräftig. Dass sie das Wissen des Beschwerdeführers um die Lebensgefahr der Privatklägerin 1 daraus ableitet, in der Packungsbeilage werde auf die mögliche stärkere Wirkung von Temesta bei zusätzlicher Behandlung mit Antiepileptika hingewiesen und der Beschwerdeführer habe nach einem Gespräch mit den Klinikärzten über die Behandlung der Privatklägerin 1 mit Antiepileptika dieser zwei weitere Male Temesta verabreicht, jedoch gerade eine Tötungsabsicht für die darauf folgende dritte Temesta-Abgabe verneint und für die beiden Abgaben vor dem Arztgespräch bejaht, ist nicht nachvollziehbar.
3.4.2. In Bezug auf die Wollenskomponente verwirft die Vorinstanz in einem ersten Schritt mit fiktiven Überlegungen die Beweiswürdigung und rechtlichen Schlussfolgerungen des Bezirksgerichts, der Beschwerdeführer habe keinen direkten Tötungsvorsatz gehabt respektive ein solcher könne ihm nicht nachgewiesen werden. Als Berufungsinstanz obliegt ihr, dem Beschwerdeführer die Umstände nachzuweisen, aus denen sie eine allfällige Tötungsabsicht ableitet (vgl. zur Berufung als umfassendes Rechtsmittel: Botschaft zur Vereinheitlichung des Strafprozessrechts vom 21. Dezember 2005, BBl 2006 1318 Ziff. 2.9.3.3; Art. 398 Abs. 2 und 3, Art. 408 StPO; BGE 141 IV 244 E. 1.3.3 Urteile 6B_70/2015 vom 20. April 2016 E. 1.4.2). Dazu sind rein spekulative Überlegungen ungeeignet. Ebensowenig wie das Gericht im Rahmen der Beweiswürdigung alle bloss theoretischen Vorbringen der beschuldigten Person beweismässig widerlegen muss, kann es umgekehrt den Schuldnachweis nicht auf nur denkbare, aber nicht nachgewiesene Geschehensabläufe abstützen. Dies umso weniger, als die Vorinstanz ihrer Beweiswürdigung die "Hypothese" zugrunde legt, der Beschwerdeführer habe die Privatklägerin 1 töten wollen und anschliessend dessen (vom Bezirksgericht geteilten) Einwände mit der Begründung verwirft, diese sprächen nicht zwangsläufig gegen eine Tötungsabsicht. Objektiv nachvollziehbare Feststellungen, die den Schluss auf vorsätzliches Handeln zuliessen, trifft sie nicht. Ein derartiges Vorgehen verstösst gegen den Grundsatz "in dubio pro reo" als Beweislast- und Beweiswürdigungsregel.
Darüber hinaus erlauben die Überlegungen der Vorinstanz, mit denen sie die erstinstanzlichen Erwägungen und die Einwendungen des Beschwerdeführers verwirft, weitgehend keine Rückschlüsse auf eine allfällige Tötungsabsicht, namentlich nicht in Bezug auf die Abgabe von Temesta. Die Erwägungen erweisen sich teilweise als widersprüchlich und zirkelschlüssig. Wenn der Beschwerdeführer sich gemäss Vorinstanz ihm zur Verfügung stehender effizienterer Mittel zur Tötung der Privatklägerin 1 nicht bedient hat, um den Verlauf der " Verschlechterung des Gesundheitszustandes so natürlich " wie möglich erscheinen zu lassen, da andernfalls der Tatverdacht auf ihn gefallen wäre, ist nicht nachvollziehbar, aus welchen Umständen die Vorinstanz hinsichtlich der ersten drei Taten eine Tötungsabsicht ableitet. Inwieweit die hypothetische Annahme, die Entwendung eines anderen Insulins oder grösserer Mengen Temesta wäre "möglicherweise eher bemerkt worden oder rekonstruierbar gewesen", für die Beurteilung einer allfälligen Tötungsabsicht bei den konkreten Tathandlungen eine Rolle spielen soll, ist bereits aufgrund der dem Beschwerdeführer gemäss Vorinstanz alternativ zur Tötung zur Verfügung stehenden effizienteren Mittel nicht ohne Weiteres ersichtlich. Auch dass der Beschwerdeführer aufgrund der von ihm entwendeten Mengen bei den jeweiligen Taten keine höhere Dosierung hätte wählen können, lässt sich den vorinstanzlichen Erwägungen nicht entnehmen und erscheint zumindest für die ersten drei Temesta-Abgaben und das Spritzen des Insulins aufgrund der nicht verabreichten Einheiten ausgeschlossen.
3.4.3. In Bezug auf die zusätzlichen eigenen Feststellungen der Vorinstanz zur Wollenskomponente rügt der Beschwerdeführer, es sei nicht nachvollziehbar, dass die Vorinstanz für die Beantwortung der Frage, ob er bei allen vier Taten jeweils Tötungsabsicht hatte, auf die Ereignisse der letzten Tat vom 17. Januar 2012 abstellt. Die Vorinstanz verkennt, dass sich die Sachlage bei der vierten Tat nicht nur in objektiver, sondern insbesondere auch in subjektiver Hinsicht von den vorgängigen drei isolierten Temesta-Abgaben unterscheidet. Gemäss dem medizinischen Sachverständigengutachten von Prof. Dr. med. A._ lässt sich rückblickend lediglich in Bezug auf die kombinierte Abgabe von Temesta und Insulin mit Sicherheit sagen, dass die Privatklägerin 1 sich in akuter Lebensgefahr befand, nicht jedoch bei der alleinigen Verabreichung von Temesta. Entscheidend ist zudem, dass der Beschwerdeführer explizit einräumt, gewusst zu haben, einen Menschen durch die Abgabe von Insulin töten zu können, falls keine Gegenmassnahmen ergriffen würden, dies jedoch in Bezug auf die von ihm jeweils isoliert verabreichte Menge Temesta bestreitet. Dass der Beschwerdeführer die Abgabe von Temesta für ebenso gefährlich gehalten hat wie das Spritzen des Insulins, scheint auch die Vorinstanz nicht anzunehmen, weshalb aus einer allfälligen Tötungsabsicht bei der kombinierten Abgabe von Temesta und Insulin nicht ungesehen darauf geschlossen werden kann, der Beschwerdeführer habe die Privatklägerin 1 auch bei den vorgängigen isolierten Temesta-Abgaben vom 4. und 22. Dezember 2011 töten wollen oder deren Tod billigend in Kauf genommen. Dies ergibt sich auch aus dem Umstand, dass die Vorinstanz jeglichen Tötungsvorsatz in Bezug auf die Temesta-Abgabe vom 29. Dezember 2011 mit der Begründung verneint, das Verursachen eines " dritten Krankheitsschubes" mache einen vierten weniger auffällig.
Auch die Erwägungen, mit denen die Vorinstanz eine Tötungsabsicht des Beschwerdeführers durch die Abgabe von rund 12 Einheiten Insulin bejaht, beruhen überwiegend auf nicht überprüfbaren und in der Sache wenig aussagekräftigen Überlegungen. Nicht nachvollziehbar ist, dass die Vorinstanz zur Begründung direkten Tötungsvorsatzes punktuell auf die ihrer Würdigung nach unglaubhaften Aussagen des Beschwerdeführers abstellt, insbesondere wenn diese im Widerspruch zur übrigen Beweislage stehen. Laut Bericht des Kinderarztes Dr. B._ (kant. Akten, act. HD 12/6/2 S.1) hat entgegen der Feststellungen der Vorinstanz nicht der Beschwerdeführer, sondern die Privatklägerin 2 am 17. Januar 2012 in der Praxis angerufen und die Praxisassistentin diese ohne vorherige Rücksprache mit dem Arzt angewiesen, mit der Privatklägerin 1 in die Notfallaufnahme des Kantonsspitals zu fahren. Dies lässt sich mit dem von der Vorinstanz angenommenen chronologischen Ablauf der Ereignisse vom 17. Januar 2012 nicht in Einklang bringen.
3.4.4. Zusammenfassend erweisen sich die vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellungen, insbesondere zum subjektiven Tatbestand teilweise als willkürlich. Bei den isolierten Temesta-Abgaben von 4. und 21. Dezember 2011 sind bereits die Erwägungen in Bezug auf die Willenskomponente unvollständig und widersprüchlich. Zudem begründet die Vorinstanz eine allfällige Tötungsabsicht (Wollenskomponente) des Beschwerdeführers bei allen Taten überwiegend mit spekulativen Erwägungen.
4.
Die Beschwerde erweist sich als begründet, weshalb es sich erübrigt, die weiteren Rechtsrügen im einzelnen zu behandeln. Aus verfahrensökonomischen Gründen erscheinen folgende Hinweise angebracht.
4.1.
4.1.1. Soweit der Beschwerdeführer unter Verweis auf die Ausführungen seines Verteidigers vor Vorinstanz ausführt, bei sämtlichen Taten sei weder die Wissens- noch die Wollenskomponente eines "Eventual-Tötungsvorsatzes" rechtsgenügend nachgewiesen und er sei dementsprechend vollumfänglich vom Vorwurf eines Tötungsdeliktes freizusprechen, ist er nicht zu hören. Die Begründung muss in der Beschwerde selbst enthalten sein, Verweise auf andere Rechtsschriften oder die Akten reichen nicht aus (vgl. Art. 42 Abs. 1 BGG; BGE 140 III 115 E. 2 S. 116; 138 IV 47 E. 2.8.1 S. 54; je mit Hinweisen). Zudem gehen die Vorbringen an der Sache vorbei. Dass die vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellungen in Teilen widersprüchlich sind, führt zwar zu einer Rückweisung der Sache zur Neubeurteilung; zu welcher rechtlichen Würdigung der Taten die Vorinstanz bei willkürfreier Beweiswürdigung gelangt, kann und hat das Bundesgericht nicht zu entscheiden. Insbesondere ist hinsichtlich der kombinierten Abgabe von Temesta und Insulin nicht ohne Weiteres ersichtlich, inwieweit die Annahme eines mindestens eventualvorsätzlich begangenen Tötungsdeliktes gegen Bundesrecht verstossen sollte. Der Beschwerdeführer räumt insoweit selbst ein, im Zeitpunkt der Tat gewusst zu haben, dass die Privatklägerin 1 (ohne ärztliche Gegenmassnahmen) infolge der von ihm injizierten 12 Einheiten Mischinsulin, was gemäss Sachverständigengutachten die tägliche Dosis für an Hyperglykämie leidender Neugeborene um das Sechsfache übersteigt, sterben würde, er mithin in Kenntnis um den (sicheren) Eintritt des tatbestandlichen Erfolges handelte.
4.1.2. Die Vorinstanz hat den Nachweis eines allfällig (mehrfach) begangenen Tötungsdeliktes zu führen sowie widerspruchsfrei und nachvollziehbar zu begründen. Dies bedeutet entgegen der Ansicht des Beschwerdeführers nicht, dass sie sämtliche seiner Einlassungen beweismässig widerlegen muss. Entscheidend für die Beantwortung der Frage, ob der Beschwerdeführer sich eines oder mehrerer versuchter Tötungsdelikte schuldig gemacht hat, ist dessen Tatentschluss, d.h. seine Vorstellung von der konkreten Tat. Zu den äusserlich feststellbaren und überprüfbaren Indizien und Erfahrungsregeln, die Rückschlüsse auf die innere Einstellung des Beschwerdeführers erlauben, zählen namentlich die Grösse des dem Täter bekannten Risikos der Tatbestandsverwirklichung und die Schwere der Sorgfaltspflichtverletzung (vgl. Urteil 6B_373/2016 vom 12. September 2016 E. 3.2.2 mit Hinweisen). Diesen Umständen kommt bei den beiden isolierten Temesta-Abgaben eine zentrale Rolle zu, wobei zu beachten ist, dass sicheres Wissen um die Möglichkeit der Lebensgefahr oder des Todes nicht identisch ist mit sicherem Wissen um den Eintritt des jeweiligen Erfolgs. Sicheres Wissen um die Gefahr für das Leben kann sowohl mit Eventualvorsatz als auch mit bewusster Fahrlässigkeit bezüglich der Todesfolge einhergehen (vgl. BGE 133 IV 9 E. 4.1; Urteile 6B_642/2015 vom 17. August 2015 E. 1.3.2; 6B_1250/2013 vom 24. April 2015 E. 3.1), weshalb trotz des Zusammenhangs der einzelnen Taten bei der Bejahung eines allfällig vorsätzlich begangenen Tötungsdeliktes nicht ungesehen darauf geschlossen werden kann, der Beschwerdeführer habe bei allen Taten mit Tötungsvorsatz gehandelt. Die Vorinstanz wird sich zudem dazu äussern müssen, ob der Beschwerdeführer allenfalls aufgrund eines einheitlichen Tötungsvorsatzes handelte, d.h. ob sämtliche Handlungen Teil eines einzigen Tatplans waren, ob der Beschwerdeführer allenfalls nach jeder (gescheiterten) Tat einen neuen Tötungsentschluss fasste.
4.2. Im Rahmen der Strafzumessung ist der Umstand, dass der Täter die Tat nicht freiwillig aufgegeben hat, Voraussetzung der Versuchsstrafbarkeit - andernfalls Rücktritt oder tätige Reue gemäss Art. 23 StGB zur Anwendung gelangen würden - und kann im Rahmen der Strafzumessung nicht nochmals straferhöhend, sondern allenfalls strafmindernd berücksichtigt werden (vgl. Art. 22 Abs. 1 StGB).
Umstände, die zur Anwendung eines höheren oder tieferen Strafrahmens (z.B. eines qualifizierten oder privilegierten Tatbestandes) führen, dürfen innerhalb des geänderten Strafrahmens nicht noch einmal als Straferhöhungs- oder Strafminderungsgrund berücksichtigt werden, sondern nur deren konkretes Ausmass (sog. Doppelverwertungsverbot: BGE 142 IV 14 E. 5.4; WIPRÄCHTIGER/KELLER, in: Basler Kommentar, Strafrecht I, 3. Aufl. 2013, N. 102 zu Art. 47 StGB; vgl. auch: CHRISTIAN SCHWARZENEGGER, in: Basler Kommentar, Strafrecht II, 3. Aufl. 2013, N. 24 zu Art. 113 StGB).
Hinsichtlich der Beurteilung und Gewichtung des Nachtatverhaltens ist auf die bundesgerichtliche Rechtsprechung hinzuweisen (vgl. BGE 121 IV 202 E. 2d/cc S. 205; Urteil 6B_339/2014 vom 27. November 2014 E. 2.1, nicht publ. in: BGE 140 IV 145).
Eine (allfällige) Gesamtstrafe gemäss Art. 49 Abs. 1 StGB ist unter spezieller Gewichtung von Zahl und Schwere der Einzeltaten und ihres Verhältnisses zueinander sowie einer zusammenfassenden Würdigung der Person des Täters festzusetzen. Dabei sind namentlich das Verhältnis der einzelnen Taten untereinander, ihr Zusammenhang, ihre grössere oder geringere Selbstständigkeit, die Gleichheit oder Verschiedenheit der verletzten Rechtsgüter sowie bei der Versuchsstrafbarkeit die Nähe der drohenden Rechtsgutsverletzung und die Folgen der Tat zu berücksichtigen (vgl. Urteil 6B_466/2013 vom 25. Juli 2013 E. 2.3.4 mit Hinweis).
4.3. Der Beschwerdeführer rügt eine bundesrechtswidrige Kostenverteilung im Berufungsverfahren. Gemäss Art. 428 Abs. 1 StPO tragen die Parteien die Kosten des Rechtsmittelverfahrens nach Massgabe ihres Obsiegens oder Unterliegens. Ob eine Partei im Rechtsmittelverfahren als obsiegend oder unterliegend gilt, hängt davon ab, in welchem Ausmass ihre vor Berufungsgericht gestellten Anträge gutgeheissen wurden (Urteil 6B_1079/2015 vom 29. Februar 2016 E. 5.3.1 mit Hinweis). Der Beschwerdeführer wurde von der Vorinstanz in einem Punkt "antragsgemäss" vom Vorwurf des versuchten Mordes freigesprochen und stattdessen "nur" wegen qualifizierter einfacher Körperverletzung verurteilt. Von einem vollumfänglichen Unterliegen im Berufungsverfahren kann entgegen den vorinstanzlichen Erwägungen keine Rede sein. Daran ändert auch der Umstand nichts, dass die Vorinstanz trotz des Freispruchs vom Vorwurf des versuchten Mordes für die Tat vom 29. Dezember 2011 eine erheblich höhere Strafe als das Bezirksgericht ausgesprochen hat.
5.
Die Beschwerde wird gutgeheissen, soweit darauf eingetreten werden kann. Bei diesem Verfahrensausgang sind keine Kosten zu erheben (Art. 66 Abs. 1 und 4 BGG). Der Kanton Zürich hat den Vertreter des Beschwerdeführers für das bundesgerichtliche Verfahren angemessen zu entschädigen (Art. 68 Abs. 1 und 2 BGG), womit das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege gegenstandslos wird.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1.
Die Beschwerde wird gutgeheissen, soweit darauf einzutreten ist. Das Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich vom 18. Dezember 2015 wird aufgehoben und die Sache zu neuer Entscheidung an die Vorinstanz zurückgewiesen.
2.
Es werden keine Gerichtskosten erhoben.
3.
Der Kanton Zürich hat den Rechtsvertreter des Beschwerdeführers, Rechtsanwalt Oliver Grundmann, für das bundesgerichtliche Verfahren mit Fr. 3'000.- zu entschädigen.
4.
Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 10. November 2017
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Denys
Der Gerichtsschreiber: Held